KR20210003121A - Superconducting quantum interference device - Google Patents

Abstract

본 개시는 SQUID 어레이들 및 SQUIF들과 같은, 초전도 양자 간섭 장치들에 관한 것이다. 초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수는 장치의 성능을 개선시키기 위해 2개 초과 및 20개 미만이다. 루프들의 수를 20 아래로 병렬로 유지시키는 것이 장치의 성능을 개선시킨다는 것이 장점이다. 이것은 더 큰 수의 병렬 루프들이 성능을 증가시킬 것이라고 통상적으로 가정되는 기존 지식과 반대이다.The present disclosure relates to superconducting quantum interference devices, such as SQUID arrays and SQUIFs. A superconducting quantum interference apparatus includes an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device. The array includes a number of columns, each of the columns includes a number of rows connected in series, each of the plurality of rows includes a number of loops connected in parallel, and the number of loops connected in parallel to each row Is more than 2 and less than 20 to improve the performance of the device. The advantage is that keeping the number of loops below 20 in parallel improves the performance of the device. This is contrary to the conventional knowledge that it is usually assumed that a larger number of parallel loops will increase performance.

Description

초전도 양자 간섭 장치Superconducting quantum interference device

관련 출원들에 대한 교차 참조Cross reference to related applications

본 출원은 2018년 3월 29일자로 출원된 호주 가특허 출원 번호 제2018901053호로부터의 우선권을 주장하며, 그 내용들은 전체적으로 참조로 본원에 통합된다.This application claims priority from Australian Provisional Patent Application No. 2018901053, filed March 29, 2018, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

본 개시는 고온 초전도 재료를 사용하여 제조되는 다수(1,000개 초과)의 초전도 양자 간섭 디바이스들(Superconducting Quantum Interference Devices; SQUIDs)의 어레이들인 초전도 양자 간섭 필터들(Superconducting Quantum Interference Filters; SQUIFs)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 초전도 양자 간섭 장치들 및 이들 장치들의 감도와 관련되는 그 개선들에 관한 것이다.The present disclosure includes Superconducting Quantum Interference Filters (SQUIFs), which are arrays of multiple (more than 1,000) Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) manufactured using high temperature superconducting materials, but It relates to, but not limited to, superconducting quantum interference devices and their improvements related to the sensitivity of these devices.

초전도 양자 간섭 디바이스(Superconducting Quantum Interference Device; SQUID)는 매우 민감한 자력계이고 일반적으로 보통 조셉슨 접합들(Josephson Junctions)로서 구현되는, 1개 또는 2개의 약한 링크들을 갖는 초전도 재료의 루프를 포함한다. SQUID는 외부 자기 플럭스(magnetic flux)에 의존하는 전압을 생성하며, 이는 SQUID가 플럭스 대 전압(flux-to-voltage) 변환기로서 효과적으로 작용한다는 것을 의미한다. 전압은 자기 플럭스의 측정을 획득하기 위해 상대적으로 쉽게 측정될 수 있다.A Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) is a highly sensitive magnetometer and typically contains a loop of superconducting material with one or two weak links, usually implemented as Josephson Junctions. SQUID produces a voltage that depends on the external magnetic flux, which means that SQUID works effectively as a flux-to-voltage converter. The voltage can be measured relatively easily to obtain a measurement of the magnetic flux.

SQUID들이 매우 민감하므로, 그들은 예를 들어, 뇌, 위 및 심장에 의해 생성되는 자기 필드와 같은, 약한 자기 필드들을 측정하기 위해 사용된다. SQUID들은 또한 이들 금속 퇴적물들이 SQUID들을 사용하여 감지될 수 있는,지구의 자기 필드에서의 변형을 야기하기 때문에 철광석 퇴적물들을 발견하기 위해 사용될 수 있다.Since SQUIDs are very sensitive, they are used to measure weak magnetic fields, such as, for example, the magnetic fields produced by the brain, stomach and heart. SQUIDs can also be used to discover iron ore deposits as these metal deposits cause deformation in the Earth's magnetic field, which can be detected using SQUIDs.

자력계의 하나의 품질 측정은 플럭스 과전압(over voltage) 곡선의 기울기(slope)이며, 이는 또한 감도(sensitivity)로서 언급된다. 전압이 특정 플럭스 변화에 대해 더 많이 변할수록, 자력계는 더 많이 민감해진다. SQUID는 이미 상대적으로 급격한 기울기 및 따라서 양호한 감도를 제공하지만, 이것은 함께 다수의 SQUID들의 사용에 의해 더 개선될 수 있다. 상이한 루프 영역들을 갖는, 1000개 초과와 같은, 다수의 SQUID들의 배열은 일반적으로 개별 SQUID 응답들이 광학 회절 격자를 사용하는 광학 간섭과 유사하게 건설적으로 그리고 파괴적으로 함께 합산하기 때문에 초전도 양자 간섭 필터들(Superconducting Quantum Interference Filters; SQUIFs)로서 언급된다. 그러나, 일부 응용들의 경우, 가장 큰 SQUIF들도 충분히 민감하지 않고 SQUIF 디바이스들의 성능을 더 개선시킬 필요가 있다.One quality measure of a magnetometer is the slope of the flux over voltage curve, which is also referred to as sensitivity. The more the voltage changes for a particular flux change, the more sensitive the magnetometer becomes. SQUID already provides a relatively steep slope and thus good sensitivity, but this can be further improved by the use of multiple SQUIDs together. An array of multiple SQUIDs, such as more than 1000, with different loop regions, is generally a result of superconducting quantum interference filters as the individual SQUID responses constructively and destructively sum together similarly to optical interference using an optical diffraction grating. Superconducting Quantum Interference Filters (SQUIFs). However, for some applications, even the largest SQUIFs are not sensitive enough and there is a need to further improve the performance of SQUIF devices.

이들 디바이스들의 제조는 국제 특허 출원 PCT/AU2013/001074 및/또는 호주 특허 출원 AU2018903963에서 설명되는 기술들을 이용할 수 있으며, 이는 참조로 본원에 둘 다 통합된다.The manufacture of these devices may utilize the techniques described in international patent application PCT/AU2013/001074 and/or Australian patent application AU2018903963, both of which are incorporated herein by reference.

특허 명세서에 포함된 문서들, 행위들(acts), 재료들, 디바이스들, 물품들 등등의 임의의 논의는 이들 사항들 중 임의의 또는 전부가 종래 기술 기반의 일부를 형성하거나 그것이 첨부된 청구항들 각각의 우선일 전에 존재했던 것처럼 본 개시와 관련된 분야에서 통상의 일반 지식이었다는 인정(admission)으로서 해석되지 않아야 한다.Any discussion of documents, acts, materials, devices, articles, etc. contained in the patent specification, any or all of these matters form part of the prior art basis or the claims to which it is attached. It should not be construed as an admission that it was of ordinary general knowledge in the field related to this disclosure as it existed before each priority date.

본 명세서 도처에 걸쳐서, 단어 "포함하다", 또는 변형들 예컨대 "포함하다" 또는 "포함하는"은 명시된 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹의 포함을 암시하지만, 임의의 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹의 배제를 암시하지 않는 것으로 이해될 것이다.Throughout this specification, the word “comprise”, or variations such as “comprise” or “comprising” implies the inclusion of the specified element, integer or step, or group of elements, integers or steps, but any It is to be understood that it does not imply the exclusion of other elements, integers or steps of, or groups of elements, integers or steps.

본 명세서 도체에서, 용어들 '초전도 재료', '초전도 디바이스' 등은, 특정 상태 및 특정 온도에서, 초전도성을 나타낼 수 있는 재료 또는 디바이스를 언급하기 위해 사용된다. 그러한 용어들의 사용은 재료 또는 디바이스가 모든 상태들 또는 모든 온도들에서 초전도성을 나타낸다는 것을 암시하지 않는다.In conductors herein, the terms'superconducting material','superconducting device', and the like are used to refer to a material or device capable of exhibiting superconductivity in a specific state and at a specific temperature. The use of such terms does not imply that a material or device exhibits superconductivity in all states or all temperatures.

초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들(columns)을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(rows)을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.A superconducting quantum interference apparatus includes an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device. The array contains a number of columns, each of the columns contains a number of rows connected in series, each of the plurality of rows contains a number of loops connected in parallel, and parallel in each row. The number of loops connected to is more than 2 and less than 20.

그것은 루프들의 수를 20개 아래로 병렬로 유지하는 것이 장치의 성능을 개선시킨다는 것이 장점이다. 이것은 더 많은 수의 병렬 루프들이 성능을 증가시킬 것이라는 통상적으로 가정되는 기존의 지식과 상반된다.It is an advantage that keeping the number of loops below 20 in parallel improves the performance of the device. This is contrary to the conventional knowledge that is normally assumed that a larger number of parallel loops will increase performance.

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 10개 미만일 수 있고 8개 미만일 수 있고 7개 미만일 수 있다.The number of loops connected in parallel in each row may be less than 10, may be less than 8, and may be less than 7.

장치는 다음 중 하나 이상으로부터 선택되는 성능을 개선시킬 수 있다:The device may improve performance selected from one or more of the following:

감도;Sensitivity;

선형성; 및Linearity; And

동적 범위.Dynamic range.

루프들 각각은 고온 초전도 재료일 수 있다. 초전도의 맥락에서 "고온"은 재료가 초전도가 보통 30 K(-243.2℃) 아래의 전이 온도들(transition temperatures)(그들이 초전도성인 온도들)을 갖고 초전도성을 달성하기 위해 액체 헬륨을 사용하여 냉각되어야만 하는 "일반적인" 또는 금속 초전도체들보다 더 높은 온도들에서 발생하는 것과 같은 것을 의미한다. 대조적으로, 고온 초전도 재료들은 138K 만큼 높은 전이 온도들을 갖는다. 예를 들어, "고온"의 하한은 77K에서 고려될 수 있으며, 여기서 액체 질소로의 냉각이 실현 가능하다. 하나의 그러한 재료는 90K의 전이 온도를 갖는 이트륨 바륨 구리 산화물(yttrium barium copper oxide; YBCO)이다. 그것은 고온 초전도 재료가 덜 복잡한 냉각 메커니즘들을 요구하고, 더 적은 전력을 소비하고 더 적은 볼륨을 점유하는 것이 장점이다. 그러나, 제조는 종종 초전도 재료의 에피텍셜 성장을 수반하고, 에피텍셜 성장을 위한 고품질의 더 큰 기판의 가용성이 문제가 될 수 있다. 그 결과, 고온 초전도 재료를 사용하면 이것이 전체 칩 사이즈를 증가시키기 때문에 감도를 증가시키기 위해 루프 사이즈를 증가시키는 것이 더욱 어렵다. 따라서, 위의 장치는 그것이 루프들의 수를 증가시킴으로써 감도의 증가를 허용하지만 칩 사이즈에서 상대적으로 작은 증가만을 갖는 장점을 가지며, 이는 특히 고온 초전도 재료들에서 유리하다.Each of the loops may be a high temperature superconducting material. “High temperature” in the context of superconductivity means that the material has transition temperatures (the temperatures at which they are superconducting) below 30 K (-243.2° C.) of superconductivity and must be cooled using liquid helium to achieve superconductivity. To “normal” or something like that occurring at higher temperatures than metal superconductors. In contrast, high-temperature superconducting materials have transition temperatures as high as 138K. For example, a lower limit of "high temperature" can be considered at 77 K, where cooling with liquid nitrogen is feasible. One such material is yttrium barium copper oxide (YBCO) with a transition temperature of 90K. It is an advantage that high-temperature superconducting materials require less complex cooling mechanisms, consume less power and occupy less volume. However, manufacturing often involves epitaxial growth of superconducting materials, and the availability of higher quality, larger substrates for epitaxial growth can be an issue. As a result, it is more difficult to increase the loop size to increase sensitivity when using a high-temperature superconducting material because it increases the overall chip size. Thus, the above device has the advantage of having only a relatively small increase in chip size, although it allows an increase in sensitivity by increasing the number of loops, which is particularly advantageous in high temperature superconducting materials.

각각의 루프는 2개의 스텝 에지 접합들(junctions)을 포함할 수 있다. 병렬로 연결될 수 있는 2개의 인접한 루프들은 공통으로 1개의 접합을 가질 수 있다.Each loop may contain two step edge junctions. Two adjacent loops that can be connected in parallel can have one junction in common.

장치는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference 필터; SQUIF)일 수 있다. 루프들은 어레이에 걸쳐 변하는 루프 영역들을 가질 수 있다.The device may be a superconducting quantum interference filter (SQUIF). Loops can have loop regions that vary across the array.

장치는 초전도 양자 간섭 디바이스(superconducting quantum interference device; SQUID) 어레이일 수 있다. 루프들은 각각의 행에서 병렬로 연결될 수 있고 동일 루프 영역들(areas)을 가질 수 있다.The device may be a superconducting quantum interference device (SQUID) array. Loops can be connected in parallel in each row and have the same loop areas.

열들은 다수의 세트들의 열들을 포함할 수 있고 각각의 세트의 열들은 직렬로 연결될 수 있다. 제1 세트의 직렬-연결된 열들은 제2 세트의 직렬-연결된 열들에 병렬로 연결될 수 있다.The columns can include multiple sets of columns and each set of columns can be connected in series. The first set of series-connected columns may be connected in parallel to the second set of series-connected columns.

열들은 다수의 세트들의 열들을 포함할 수 있고 각각의 세트의 열들은 병렬로 연결될 수 있다. 제1 세트의 병렬-연결된 열들은 제2 세트의 병렬-연결된 열들에 직렬로 연결될 수 있다.The columns can include multiple sets of columns and each set of columns can be connected in parallel. The first set of parallel-connected columns may be connected in series to the second set of parallel-connected columns.

어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하일 수 있다.The impedance of the array may be 1 kΩ or less.

어레이는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있다.The array can contain at least 1,000,000 loops.

장치는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 20개 미만일 수 있고 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수, 직렬로 연결되는 열들의 수 및 병렬로 연결되는 열들의 수는 어레이의 임피던스가 예를 들어, 증폭기에 전달되는 전력을 최적화하기 위해 1 kΩ 이하 및 바람직하게는 50　Ω과 동일한 것과 같도록 될 수 있다.The device may include at least 1,000,000 loops, and the number of loops connected in parallel in each row may be more than 2 and less than 20 and the number of loops connected in parallel in each row, the number of rows connected in series. The number and number of rows connected in parallel may be such that the impedance of the array is equal to, for example, 1 kΩ or less and preferably equal to 50 kΩ to optimize the power delivered to the amplifier.

어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함할 수 있고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함할 수 있고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함할 수 있고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프의 수는 병렬로 연결되는 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만일 수 있다.The array may include a number of at least two columns connected in parallel, each of the columns may include a plurality of rows connected in series, and each of the plurality of rows may include a plurality of loops connected in parallel. In addition, the number of loops connected in parallel to each row may be more than twice and less than 10 times the number of columns connected in parallel.

장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 적어도 1,000,000개의 루프들의 어레이를 포함할 수 있고, 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 100개의 열들의 수를 포함할 수 있고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함할 수 있고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함할 수 있다.The apparatus may comprise an array of at least 1,000,000 loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device, the array may comprise a number of at least 100 rows connected in parallel, each of the rows connected in series. It can contain multiple rows, and each of the multiple rows can include multiple loops connected in parallel.

루프들은 중심에서 바이어스되거나 균일하게 바이어스될 수 있다.Loops can be center biased or evenly biased.

어레이는 칩 상에 어레이를 형성함으로써 반도체 칩에 통합될 수 있다.The array can be integrated into a semiconductor chip by forming an array on the chip.

비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체는 그 상에 저장되는 컴퓨터 코드를 갖는다. 컴퓨터 코드는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하며, 여기서A non-transitory, computer-readable medium has computer code stored thereon. Computer code defines a quantum interfering device comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device, wherein

어레이는 다수의 열들을 포함하고, The array contains a number of columns,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, Each of the columns contains a number of rows connected in series,

다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,Each of the plurality of rows contains a number of loops connected in parallel,

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.The number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20.

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하는 포토 마스크 또는 마스크들의 세트에 있어서, 여기서A photo mask or set of masks defining a quantum interference device comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device, wherein

어레이는 다수의 열들을 포함하고,The array contains a number of columns,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, Each of the columns contains a number of rows connected in series,

다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,Each of the plurality of rows contains a number of loops connected in parallel,

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.The number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20.

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 전자 칩에 있어서, 여기서An electronic chip comprising an array of loops, wherein each loop constitutes a superconducting quantum interference device, wherein

어레이는 다수의 열들을 포함하고, The array contains a number of columns,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, Each of the columns contains a number of rows connected in series,

다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,Each of the plurality of rows contains a number of loops connected in parallel,

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.The number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20.

초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고 어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하이다.A superconducting quantum interference apparatus includes an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device. The array includes a number of columns, each of the columns includes a number of rows connected in series, each of the plurality of rows includes a number of loops connected in parallel, and the number of loops connected in parallel in each row Is greater than 2 and less than 20 and the impedance of the array is less than 1 kΩ.

자기 플럭스를 측정하는 방법은:To measure magnetic flux:

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 자기 플럭스에 노출시키는 단계;Exposing an array of loops, each loop making up a superconducting quantum interference device, to a magnetic flux;

자기 플럭스에 대한 어레이의 전기적 응답을 측정하는 단계; 및Measuring the electrical response of the array to magnetic flux; And

측정에 기초하여 자기 플럭스를 나타내는 값을 결정하는 단계를 포함하며,Determining a value indicative of the magnetic flux based on the measurement,

여기서 here

어레이는 다수의 열들을 포함하고, The array contains a number of columns,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, Each of the columns contains a number of rows connected in series,

다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,Each of the plurality of rows contains a number of loops connected in parallel,

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.The number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20.

이제, 일 예가 다음 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 예시적 SQUID의 사진이다.
도 2는 2차원(2D) SQUIF 어레이의 사진이다.
도 3은 SQUID의 전압 응답을 예시한다.
도 4는 SQUIF 어레이의 전압 응답을 예시한다.
도 5는 예시적 칩 설계를 예시한다.
도 6은 미앤더 구조(meander structure)의 보다 상세화된 사진이다.
도 7은 도 6의 직사각형 내의 구조를 예시한다.
도 8은 직렬의 접합의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압을 예시한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 증가한 병렬의 루프들의 수들을 갖는 3개의 SQUIF 어레이들의 부분들의 사진들이다.
도 10은 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)의 다른 예를 예시한다.
도 11은 2개의 접힌 병렬 연결 열들을 갖는 추가 예를 예시한다.
도 12는 2개의 접힌 병렬 연결 열들을 갖는 추가 예를 예시한다.
도 13은 4개의 4-열 블록들의 추가적인 예를 예시한다.
도 14는 4 ㎛ x 8 ㎛로 주어지는 YBCO 스텝-에지 접합 내부 루프 영역들을 사용하여 1D 병렬 어레이들의 섹션들의 사진들을 도시한다.
도 15a 및 도 15b는 (a) N _p = 4, 6, 11, 21 및 31 접합들을 병렬로 그리고 (b) N _p = 8, 16, 51 및 81 접합들을 병렬로 갖는 어레이들에 대해 1D 동일 루프 영역 어레이들에 대한 전압-자기 필드 응답을 예시한다.
도 16은 병렬의 접합들의 수인 N _p 의 함수로서 (모두 동일한 SQUID 홀 영역을 갖는) 2개의 세트들의 1D SQUID 어레이들에 대해 측정되는 최대 감도(dV/dB)를 예시한다. 사각형 데이터 및 원형 데이터는 N _p 의 상이한 값들을 커버하는 상이한 세트들의 어레이들을 나타낸다.
도 17a 및 도 17b는 수직 인가된 자기 필드에서 병렬로 N _p 접합들 및 N _p-1 루프들을 갖는 1D 병렬 SQIF 어레이들의 개략도를 예시한다. 십자가들은 위상

를 갖는, 조셉슨 접합들을 나타낸다. j번째 루프 주위의 전류들은 수평 성분(J _j ) 및 수직 성분(I _j )으로 분할되며, 후자는 접합들을 통해 흐른다. 2개의 상이한 바이어싱 방식들(schemes)이 연구되며 여기서 바이어스 전류는 도 23a에서 하나의 리드(lead)를 통해 어레이 안과 밖으로 중앙 바이어스되거나, 도 23b의 모든 루프들을 통해 균일하게 바이어스된다.
도 18은 N _p = 4 접합들 및 어레이의 중앙으로 주입되는 1.1x4I_c의 바이어스 전류를 갖는 β _L = 0.3, 0.7 및 1.0의 3개의 값들을 갖는 1D 어레이들에 대한 계산된

응답을 계산한다. 모든 접합 파라미터들은 동일한 것으로 가정된다(

=

= 0).
도 19a 및 도 19b는 1.1x4I _c 에서 바이어스 되고 다음의 파라미터 스프레드들: (a)

=0.3의 I _c 스프레드 및 (b)

=0.3의 R 스프레드를 갖는, β _L = 0.7 및 N _p =4 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한

응답을 예시한다.
도 20a는 비 루프 영역 스프레드

=0를 갖는 어레이 및 루프 영역에서

스프레드를 갖는 어레이를 비교하는 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스되는, N _p = 16 접합들 및 β _L = 0.3을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. 도 20b는 N _p =16 접합들을 갖는 동일 루프 영역 어레이에 대한 실험적 V-B 데이터를 예시한다.
도 21a 및 도 21b는 β _L = 0.3을 갖는 N _p = 16 접합들, 및 (

=0,

=0을 갖는 갖는) 루프 영역에서

=0.3의 스프레드를 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스 되고 (b) (a)로부터 균일하게 바이어스된 케이스를 오버레이하는 1.01N _p I _c 에서 중앙 바이어스되는 어레이들의 비교가 도시된다.
도 22는 N _p = 16 접합들 및 0.005 내지 1.5의 평균 β_L 값들의 범위를 갖는 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스되는 (

=0,

=0을 갖는) 루프 영역에서

=0.3의 스프레드를 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다.
도 23a 및 도 23b는

,

,

에서 비 스프레드를 갖고 증가하는 N _p 및 β_L=0.1, 0.3 및 0.7의 3개의 값들을 갖는 1D 동일 루프 영역 SQIF 어레이들에 대한 최대 정규화된 감도

의 이론적인 값들을 예시한다. 어레이들은 (a) 1.1I _c 로 균일하게 또는 (b) 1.1N _p I _c 로 중앙 바이어스된다.
도 24a 및 도 24b는

=0.3을 갖고 (a)

=0.3인 반면

=0 및 (b)

= 0.3인 반면

=0.3(대시 곡선들)의 스프레드들을 갖는 4개의 무작위 세트들의 접합 파라미터들을 이용하는 N _p =16 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 및 (b)의 실선들은

=

=0일 때 계산들을 나타낸다. 모든 1D 어레이들은 β_L = 1.5를 갖고 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스된다.
도 25a 및 도 25b는

=0.3을 갖고 (a)

=0.3인 반면

=0 및 (b)

=0.3인 반면

=0(대시 곡선들)의 스프레드들을 갖는 4개의 무작위 세트들의 접합 파라미터들을 사용하는 N _p =16 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 및 (b)의 실선들은

=

=0일 때 계산들을 나타낸다. 모든 1D 어레이들은 β_L= 0.1을 갖고 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스된다.
도 26은 자기 플럭스를 측정하는 방법을 예시한다.Now, an example will be described with reference to the following figures:
1 is a photograph of an exemplary SQUID.
2 is a photograph of a two-dimensional (2D) SQUIF array.
3 illustrates the voltage response of SQUID.
4 illustrates the voltage response of the SQUIF array.
5 illustrates an exemplary chip design.
6 is a more detailed picture of the meander structure.
7 illustrates the structure within the rectangle of FIG. 6.
8 illustrates the peak-to-peak voltage normalized to the number of junctions in series.
9A, 9B and 9C are photographs of portions of three SQUIF arrays with an increased number of parallel loops.
10 illustrates another example of a superconducting quantum interference filter (SQUIF).
11 illustrates a further example with two folded parallel rows of connections.
12 illustrates a further example with two folded parallel rows of connections.
13 illustrates a further example of four four-column blocks.
14 shows photographs of sections of 1D parallel arrays using YBCO step-edge junction inner loop regions given 4 μm x 8 μm.
15A and 15B are 1D identical for arrays with (a) N _p = 4, 6, 11, 21 and 31 junctions in parallel and (b) N _p = 8, 16, 51 and 81 junctions in parallel. Illustrates the voltage-magnetic field response for loop region arrays.
16 illustrates the maximum sensitivity (dV/dB) measured for two sets of 1D SQUID arrays (all with the same SQUID Hall area) as a function of N _p , the number of junctions in parallel. Square data and circular data represent different sets of arrays covering different values of N _p .
17A and 17B illustrate schematic diagrams of 1D parallel SQIF arrays with N _p junctions and N _p-1 loops in parallel in a vertically applied magnetic field. Crosses are phases

With, represents Josephson junctions. The currents around the j-th loop are divided into a horizontal component (J _j ) and a vertical component ( I _j ), the latter flowing through the junctions. Two different biasing schemes are studied where the bias current is centrally biased in and out of the array through one lead in FIG. 23A, or evenly biased through all loops in FIG. 23B.
Figure 18 shows N _p = 4 junctions and 1.1x4I _c injected into the center of the array Calculated for 1D arrays with 3 values of β _L = 0.3, 0.7 and 1.0 with bias current

Compute the response. All junction parameters are assumed to be the same (

=

= 0).
19A and 19B are biased at 1.1x4 I _c and the following Parameter spreads: (a)

I _c spread of =0.3 and (b)

For 1D arrays with β _L = 0.7 and N _p =4 junctions, with an R spread of =0.3

Illustrate the response.
Figure 20a is the non-loop area spread

In the array and loop regions with = 0

Normalized for 1D arrays with N _p = 16 junctions and β _L = 0.3, uniformly biased at 1.01 I _c comparing the array with spread

Illustrate the response. 20B illustrates experimental VB data for the same loop region array with N _p =16 junctions.
21A and 21B show N _p = 16 junctions with β _L = 0.3, and (

=0,

= 0) in the loop region

Normalized for 1D arrays with a spread of =0.3

Illustrate the response. (a) is uniformly biased at 1.01 I _c (b) A comparison of centrally biased arrays at 1.01 N _p I _c overlaid the uniformly biased case from (a) is shown.
Figure 22 is uniformly biased at 1.01 I _c with N _p = 16 junctions and average β _L values ranging from 0.005 to 1.5. (

=0,

= 0) in the loop region

Normalized for 1D arrays with a spread of =0.3

Illustrate the response.
23A and 23B

,

,

Maximum normalized sensitivity for 1D co-loop region SQIF arrays with three values of N _p and β _L =0.1, 0.3 and 0.7 increasing with a ratio spread at

Illustrate the theoretical values of Arrays are (a) uniformly at 1.1 I _c or (b) It is centrally biased with 1.1 N _p I _c .
24A and 24B

With =0.3 (a)

While =0.3

=0 and (b)

= 0.3 whereas

Normalized for 1D arrays with N _p =16 junctions using 4 random sets of junction parameters with spreads of =0.3 (dash curves)

Illustrate the response. The solid lines in (a) and (b) are

=

Represent calculations when =0. All 1D arrays have β _L = 1.5 and are uniformly biased at 1.01 I _c .
25A and 25B

With =0.3 (a)

While =0.3

=0 and (b)

While =0.3

Normalized for 1D arrays with N _p =16 junctions using 4 random sets of junction parameters with spreads of =0 (dash curves)

Illustrate the response. The solid lines in (a) and (b) are

=

Represent calculations when =0. All 1D arrays have β _L = 0.1 and are uniformly biased at 1.01 I _c .
26 illustrates a method of measuring magnetic flux.

위에 언급된 바와 같이, SQUIF 디바이스에서 더 큰 수의 루프들(SQUDs)이 일반적으로 그러한 디바이스의 감도를 개선시킨다. 그러나, 감도 플래토들(plateaus) 및 루프들의 추가 증가 수는 감도의 기대된 향상을 제공하지 않는다는 것이 발견되었다. 이것은 통념(conventional wisdom)을 더 사용하여 감도를 개선시키는 것이 어렵다는 것을 의미한다.As mentioned above, a larger number of loops (SQUDs) in a SQUIF device generally improves the sensitivity of such a device. However, it has been found that the sensitivity plateaus and an additional increasing number of loops do not provide the expected improvement in sensitivity. This means that it is difficult to improve the sensitivity by using more conventional wisdom.

유사한 고려사항들이 선형성(linearity)에 적용되며, 여기서 더 큰 수의 루프들이 동작 영역 내에서 응답 곡선의 선형성을 개선시킨다. 이것은 기존 설계들의 감도를 더 개선하도록 요구되지 않지만 선형성 및/또는 동적 범위가 개선될 것이라는 의미에서 루프들의 수를 증가시키는 것이 주요 목적일 수 있다. 이것은 임의의 비-선형성이 일반적으로 추가적인 주파수들의 생성을 포함하는, 왜곡을 초래하기 때문에 RF 신호들과 같은 시변(time-varying) 신호들에 대해 특히 중요하다. 그 다음, 이들 추가적인 주파수들은 왜곡된 신호가 나이키스트 조건(Nyquist condition)을 위반할 수 있음에 따라 샘플링 및/또는 다운-믹싱 동안 페이로드(payload) 주파수 상으로 매핑될 수 있다. 따라서, 센서의 개선된 선형성은 신호 출력의 품질을 상당히 개선시킬 것이며, 즉, 신호에서 노이즈를 감소시킬 것이다. 다른 예들에서, 동적 범위가 증가되며 이는 앰프(amp)에 전달되는 전력을 증가시키지만 어레이는 전력 손실들을 최소화하기 위해 소스 임피던스와 매칭되어야 한다. 여기서, 동적 범위는 N에 비례할 수 있는 피크 투 피크 전압에 관련된다.Similar considerations apply to linearity, where a larger number of loops improve the linearity of the response curve within the operating region. This is not required to further improve the sensitivity of existing designs, but increasing the number of loops may be the main goal in the sense that linearity and/or dynamic range will be improved. This is particularly important for time-varying signals, such as RF signals, because any non-linearity generally leads to distortion, including the generation of additional frequencies. These additional frequencies can then be mapped onto the payload frequency during sampling and/or down-mixing as the distorted signal can violate the Nyquist condition. Thus, the improved linearity of the sensor will significantly improve the quality of the signal output, i.e. reduce noise in the signal. In other examples, the dynamic range is increased, which increases the power delivered to the amp, but the array must match the source impedance to minimize power losses. Here, the dynamic range relates to a peak-to-peak voltage that can be proportional to N.

또한, 개선된 선형성은 또한 응답 곡선이 큰 동작 범위에 걸쳐 충분히 선형적이라는 것을 의미한다. 다시 말해서, 신호는 곡선 상의 최적 포인트 주위에서 멀리 이동할 수 있고 여전히 직선 영역에 있을 수 있다. 선형성의 개선이 없으면, 그러한 신호는 '클리핑된(clipped)' 것으로서 간주될 필요가 있을 것이다. 그러나, 개선된 선형성을 가지면, 이러한 신호는 정확하게 캡처될 수 있으며, 이는 개선된 선형성이 센서의 동적 범위를 효과적으로 증가시킨다는 것을 의미한다.In addition, the improved linearity also means that the response curve is sufficiently linear over a large operating range. In other words, the signal can travel farther around the optimal point on the curve and still be in a straight area. Without an improvement in linearity, such signals would need to be considered'clipped'. However, with improved linearity, these signals can be accurately captured, which means that the improved linearity effectively increases the dynamic range of the sensor.

동적 범위는 SQUIF 응답에서 안티-피크(anti-peak)의 피크 투 피크 전압으로서 정의될 수 있다는 점이 주목된다. 동적 범위를 최대화하는 것은 연결된 회로, 예컨대 증폭기 또는 다른 50 옴 전자장치에 전달되는 전력을 최대화하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 루프들의 수 N을 최대화하는 것을 의미한다. 그러나, 그것은 또한 합리적인 범위(예컨대 50 옴) 내에서 소스 임피던스를 매칭시키기 위해 어레이 임피던스를 최적화하는 것이 중요하다.It is noted that the dynamic range can be defined as the anti-peak peak-to-peak voltage in the SQUIF response. Maximizing the dynamic range may include maximizing the power delivered to the connected circuit, such as an amplifier or other 50 ohm electronics, which means maximizing the number of loops, N. However, it is also important to optimize the array impedance to match the source impedance within a reasonable range (eg 50 ohms).

본 개시는 병렬로 서로 연결되는 루프들의 수를 감소시킴으로써 감도, 선형성 및/또는 동적 범위에서의 개선을 제공한다. 이러한 맥락에서, 루프들의 병렬 연결은 그들이 동일한 금속화 층을 공유하고 동일한 행 내의 루프들에 걸친 전압이 동일하다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 전하(electrical charge)는 병렬 연결된 루프들에 걸쳐 자유롭게 흐를 수 있다.The present disclosure provides an improvement in sensitivity, linearity and/or dynamic range by reducing the number of loops connected to each other in parallel. In this context, the parallel connection of loops means that they share the same metallization layer and the voltage across the loops in the same row is the same. In other words, electrical charge can flow freely across parallel connected loops.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 개시는 병렬 연결된 루프들의 수를 감소시키는 반면, 동시에, 루프들의 큰 총 수를 유지시키는 SQUIF 구조를 제공한다. 다수의 루프들의 직렬 연결은 전체 임피던스가 대부분의 전자장치 인터페이스들을 처리하기에 너무 높기 때문에 사용하기 어렵다는 점이 주목된다.To solve this problem, the present disclosure provides a SQUIF structure that reduces the number of parallel connected loops, while at the same time maintaining a large total number of loops. It is noted that the series connection of multiple loops is difficult to use because the overall impedance is too high to handle most of the electronics interfaces.

SQUIF의 설명Description of SQUIF

dc 초전도 양자 간섭 디바이스 또는 SQUID는 초전도 재료에서 약한 링크들로서 생각될 수 있는, 2개의 조셉슨 접합들(Josephson junctions)에 의해 단속되는 초전도 재료의 루프로 구성된다. SQUID들은 자기 필드들에 대한 코사인형 전압 응답을 갖고 통상적으로 플럭스 양자의 100만분의 1 미만의 매우 높은 감도들을 갖는 플럭스 대 전압 변압기들로서 사용되며,

이다. SQUID 응답의 피크 투 피크 전압은 루프 인덕턴스, L 및 임계 전류, I _c 를 갖는 단일 SQUID들에 대해 SQUID 인덕턴스 인자(factor),

일 때 최적화될 수 있다. 일부 예들에서 인덕턴스 인자 β _L 은 0.5 미만이다. SQUID 전압 응답의 주기성은 SQUID 루프 영역에 반비례한다. 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 dc SQUID 루프들의 1차원 또는 2차원 어레이들은 단일 SQUID들의 그것과 비교하여 주기적인 전압-자기 필드 출력 및 노이즈 응답을 개선하기 위해 사용될 수 있다.A dc superconducting quantum interference device or SQUID consists of a loop of superconducting material interrupted by two Josephson junctions, which can be thought of as weak links in a superconducting material. SQUIDs are used as flux-to-voltage transformers with a cosine voltage response to magnetic fields and with very high sensitivities, typically less than one millionth of both fluxes,

to be. The peak-to-peak voltage of the SQUID response is the loop inductance, L, and SQUID inductance factor for single SQUIDs with critical current, I _c ,

Can be optimized when In some examples the inductance factor β _L is less than 0.5. The periodicity of the SQUID voltage response is inversely proportional to the SQUID loop area. One-dimensional or two-dimensional arrays of dc SQUID loops connected in series and/or parallel can be used to improve the periodic voltage-magnetic field output and noise response compared to that of single SQUIDs.

도 1은 절연 기판(101), YBCO와 같은, 고온 초전도 재료의 층(102)을포함하는 SQUID(100)를 예시한다. 초전도 층(102) 내의 홀(103)은 루프(104)를 정의한다. 스텝 에지(105)는 루프(104)에 걸쳐 연장되고 그것에 의해 제1 약한 링크(106) 및 제2 약한 링크(107)를 정의한다. 약한 링크들은 또한 본원에서 접합들 또는 조셉슨 접합들로서 언급되고 이들 용어들은 동의어로 사용된다. 조셉슨 접합들은 스텝-에지 접합들로서 또는 다른 기술들을 사용하여 제작될 수 있다.1 illustrates a SQUID 100 comprising an insulating substrate 101, a layer 102 of high temperature superconducting material, such as YBCO. Holes 103 in superconducting layer 102 define loops 104. The step edge 105 extends over the loop 104 and thereby defines a first weak link 106 and a second weak link 107. Weak links are also referred to herein as junctions or Josephson junctions and these terms are used synonymously. Josephson joints can be fabricated as step-edge joints or using other techniques.

도 2는 예시적 홀(203)과 같은 다수의 홀들이 다수의 루프들을 정의하기 위해 제작되는, YBCO와 같은, 초전도 층(202)을 또한 포함하는 2차원(2D) SQUIF 어레이(200)(단순히 "SQUIF" 또는 "SQIF")를 예시한다. 스텝 에지(205)는 각각의 루프에서 2개의 접합들을 정의하기 위해 다수의 루프들에 걸쳐 연장된다. 인접한 루프들이 공통 접합을 공유하므로, 접합들의 수는 행 당 루프들의 수보다 1개 더 많다. 다른 예들에서, 각각의 접합은 그 자체의 스텝 에지를 갖고 그들은 일직선을 이루지 않을 수 있다. 도 2에서, 수직으로 정렬되고 제1 행(206)행을 형성하는 다수의 루프들이 있다. 또한, 제2 행(207), 제3 행(208) 및 제4 행(209)이 있다. 행들은 금속 또는 초전도 바들(210, 211 및 212)에 의해 서로 연결된다. 이것은 도 2에서 각각의 행에서 병렬로 연결되는 35개의 루프들을 갖는 직렬의 4개의 행들이 있다는 것을 의미하며, 따라서 Ns=4 및 Np=35이다.2 is a two-dimensional (2D) SQUIF array 200 (simply) that also includes a superconducting layer 202, such as YBCO, in which a number of holes, such as an exemplary hole 203, are fabricated to define a number of loops. "SQUIF" or "SQIF") is illustrated. Step edge 205 extends over multiple loops to define two junctions in each loop. Since adjacent loops share a common junction, the number of junctions is one more than the number of loops per row. In other examples, each joint has its own step edge and they may not be straight. In Fig. 2, there are a number of loops that are vertically aligned and form a first row 206 row. Also, there are a second row 207, a third row 208 and a fourth row 209. The rows are connected to each other by metal or superconducting bars 210, 211 and 212. This means that in Fig. 2 there are 4 rows in series with 35 loops connected in parallel in each row, thus Ns=4 and Np=35.

개별적인 SQUID 루프들의 영역들이 전체적으로 변하는 어레이들은 SQUIF들(superconducting quantum interference filters)로서 지칭된다. SQUIF들의 경우, 자기 필드의 함수로서의 전압 응답은 광학 간섭 프로세스들과 유사한, 상이한 영역들의 모든 SQUID 루프들로부터의 신호들의 구조상의 간섭으로 인해 비-제로 필드들에서 더 약한, 비주기적인 전압 진동을 갖는 제로 필드에서의 급격한 안티-피크(anti-peak)에 의해 지배된다. SQUIF 어레이들은 원래 안티-피크가 제로 자기 필드에 위치되기 때문에 절대 자기 필드 검출을 위해 개발된다.Arrays in which areas of individual SQUID loops vary entirely are referred to as superconducting quantum interference filters (SQUIFs). For SQUIFs, the voltage response as a function of the magnetic field produces weaker, aperiodic voltage oscillations in the non-zero fields due to structural interference of signals from all SQUID loops in different regions, similar to optical interference processes. It is dominated by a sharp anti-peak in the zero field. SQUIF arrays are originally developed for absolute magnetic field detection because the anti-peak is located in a zero magnetic field.

도 3은 응답의 주기적 성질을 도시하는 SQUID의 전압 응답을 예시한다. 대조적으로, 도 4는 20,000개의 접합들을 갖는 SQUIF 어레이의 전압 응답을 예시한다. 중요하게는, 0　uT에서 깊은 안티-피크(401)가 있다. 목적은 응답이 선형에 가장 가깝고 최대로 급격한 곳에 동작 포인트(402)를 유지시키는 것이다. 일부 경우들에서, 이러한 포인트는 안티-피크의 에지의 중심에 가까이 있다. 이것은 자력계를 자기 플럭스의 작은 변형들에 대해 고도로 민감하게 만든다.3 illustrates the voltage response of the SQUID showing the periodic nature of the response. In contrast, Figure 4 illustrates the voltage response of a SQUIF array with 20,000 junctions. Importantly, there is a deep anti-peak 401 at 0°uT. The goal is to keep the operating point 402 where the response is closest to linear and maximally abrupt. In some cases, this point is near the center of the edge of the anti-peak. This makes the magnetometer highly sensitive to small variations in magnetic flux.

SQUIF 어레이는 20,000개를 초과하는 총 접합 수 N 을 가질 수 있다. 이것은 본원에 참조로 통합되는 WO2004/015788 및 WO2000/016414에서 설명되는 YBCO 스텝-에지 접합 기술을 사용하여 제작될 수 있으며, 이는 접합들을 기판 상의 거의 모든 곳에 배치하는 것을 허용하고 직렬 및 병렬 각각의 조셉슨 접합들의 수인 총 접합 수 N= N _s x N _p 을 갖는 2D 설계들을 이용한다.The SQUIF array can have a total number of junctions N in excess of 20,000. It can be fabricated using the YBCO step-edge bonding technique described in WO2004/015788 and WO2000/016414, which are incorporated herein by reference, which allows placement of the bonds almost anywhere on the substrate and allows for placement of the bonds in series and parallel respectively by Josephson We use 2D designs with the total number of junctions N = N _s x N _p which is the number of junctions.

조셉슨 접합들은 기판에서 스텝 에지에 걸쳐 초전도 재료를 형성함으로써 구현될 수 있다. 특히, 제조 프로세스는 MgO 또는 다른 재료들과 같은, 기판 상에 스텝 에지를 생성하는 단계를 수반한다. YBCO 또는 다른 것들과 같은 결정성 초전도 재료가 기판 상에서 성장될 때, 그레인 경계 장벽(grain boundary barrier)이 초전도 재료에 형성되며 여기서 에지는 기판에 제작되어 있다. 이러한 그레인 경계 장벽은 조셉슨 접합을 형성하는 약한 링크로서 작용한다.Josephson junctions can be implemented by forming a superconducting material across the step edge in the substrate. In particular, the manufacturing process involves creating a step edge on the substrate, such as MgO or other materials. When a crystalline superconducting material such as YBCO or others is grown on a substrate, a grain boundary barrier is formed in the superconducting material, where the edges are fabricated on the substrate. These grain boundary barriers act as weak links forming the Josephson junction.

어레이의 임피던스, Z 는 N _s /N _p 로서 스케일링되고 따라서 어레이 기하구조(geometry)는 단일 접합 정상 저항(normal resistance)이 어레이에 걸쳐 인지할 수 있게 변하지 않으면, 어레이의 임피던스를 미리결정된 값에 매칭시키기 위해 사용될 수 있다.The impedance of the array, Z is scaled as N _s / N _p and Thus, the array geometry can be used to match the impedance of the array to a predetermined value if the single junction normal resistance does not change appreciably across the array.

도 5는 위의 설명에 따라 제조되고 예시적 패드(501)와 같은 다수의 연결 패드들, 및 병렬 SQUID 루프들의 직렬 연결된 행들의 미앤더 구조(meander structure), 즉, 도 2에 도시된 구조의 반복을 포함하는 예시적 칩 설계를 예시한다. 각각의 수직 열은 또한 블록으로서 언급되고 이러한 예에서 블록 당 약1000개의 접합을 갖는 직렬로 연결되는 20개의 블록들(Nb~20)이 있다. 블록들은 어레이들의 "u" 및 "n" 형상 커넥터 상단 및 하단과 미앤더 라인을 통해 직렬로 연결된다. 리드들은 블록들 자체 또는 직렬의 수 개의 블록들을 탐침할 수 있다. 전체 어레이는 시작과 종료 사이에서 측정된다. 감도는 직렬의 수와 함께 증가하지만 임피던스가 또한 증가한다는 것이 관찰되었다.5 is a meander structure of serially connected rows of a plurality of connection pads, such as an exemplary pad 501, and parallel SQUID loops manufactured according to the above description, that is, the structure shown in FIG. Illustrates an example chip design including iterations. Each vertical row is also referred to as a block and in this example there are 20 blocks Nb-20 connected in series with about 1000 junctions per block. The blocks are connected in series through the meander lines and the top and bottom of the "u" and "n" shaped connectors of the arrays. The leads can probe the blocks themselves or several blocks in series. The entire array is measured between start and end. It has been observed that the sensitivity increases with the number of series, but the impedance also increases.

도 6은 미앤더 구조의 보다 상세화된 사진이고 직사각형(601)은 다음 설명을 위해 표시된다.6 is a more detailed picture of the meander structure and a rectangle 601 is shown for further explanation.

도 7은 루프들을 가로지르는 스텝 에지(703)에 의해 형성되는, 접합(702)과 같은, 접합들을 포함하는 루프들을 정의하는 홀(701)과 같은, 홀들을 포함하는 도 6의 직사각형(601) 내의 구조를 예시한다. 이러한 예에서, 루프들의 수는 7개이고 루프 영역들은 행에 걸쳐 변한다. FIG. 7 is a rectangle 601 of FIG. 6 comprising holes, such as a hole 701 defining loops containing junctions, such as junction 702, formed by a step edge 703 across the loops. Illustrate the structure within. In this example, the number of loops is 7 and the loop regions vary across the row.

도 8은 직렬의 접합의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압을 예시한다. 이것은 감도가 병렬 루프들의 수의 감소와 함께 점진적으로 증가한다는 것을 도시한다.8 illustrates the peak-to-peak voltage normalized to the number of junctions in series. This shows that the sensitivity increases gradually with the decrease in the number of parallel loops.

SQUIF 성능의 예측들SQUIF performance predictions

도 4를 다시 참조하면, 관심 파라미터들은 피크 투 피크 전압(ΔV)(403), 안티-피크의 감도 또는 최대 기울기(V _B = dV/dB)(미도시), 안티-피크 폭(ΔB _ext)(404), 및 비-제로 필드에서 작은-진폭 진동들의 범위(δV )(405)를 포함한다. SQUIF들의 전압 노이즈(S _V ) 및 자기 필드 노이즈(S _B )가 또한 측정될 수 있다.Referring again to Figure 4, the parameter of interest are the peak-to-peak voltage (Δ V) (403), anti-sensitivity of the peak or maximum slope (V _B = d V / d B) (not shown), the anti-peak width ( Δ B _ext ) 404, and a range of small-amplitude oscillations in the non-zero field (δ V ) 405. Voltage noise of SQUIFs ( S _V ) And Magnetic field noise S _B can also be measured.

양호한 SQUIF 응답들은 부정합(incommensurate) 루프 사이즈들에 의해 달성될 수 있으며, 여기서 모든 루프는 상이한 영역이고 기생 자기 플럭스를 회피한다. 추가적으로, 다음과 같은 파라미터들이 식별되었다[V. Schultze, R. IJsselsteijn and H-G Meyer, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S411-S415를 참조하며, 이는 참조로 본원에 통합된다]::Good SQUIF responses can be achieved with incommensurate loop sizes, where every loop is a different area and avoids parasitic magnetic flux. Additionally, the following parameters have been identified [V. Schultze, R. I Jsselsteijn and H-G Meyer, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S411-S415, which is incorporated herein by reference]:

이것은 어레이들로부터 출력되는 전압은 직렬의 조셉슨 접합들의 수인 N _s 로 스케일링될 것으로 예상되는 반면 안티-피크 폭은 증가한 병렬의 루프들의 수인 N _p 와 함께 감소할 것으로 예상된다는 것을 의미한다. 따라서, 루프들의 총수 N이 증가함에 따라, 감도(dV/dB)는 또한 비례적으로 증가해야 한다.This means that the voltage output from the arrays is expected to scale by N _s , the number of Josephson junctions in series, while the anti-peak width is expected to decrease with the increased number of parallel loops, N _p . Thus, as the total number of loops N increases, the sensitivity (d V / d B ) should also increase proportionally.

상이한 종횡비들을 갖는 2D SQUIF 어레이들의 특성Characteristics of 2D SQUIF arrays with different aspect ratios

연구는 각각에서 1,000개의 접합들의 20개의 블록들로 구성되는 어레이(N = 20,000)에서 접합들의 동일한 총 수를 갖는 2D SQUIF 어레이들 상에서 수행되었다. 이러한 어레이들의 세트는 병렬 및 직렬의 접합들의 수를 변경시키지만 동일한 N을 유지시키는 효과를 본다.The study was conducted on 2D SQUIF arrays with the same total number of junctions in an array consisting of 20 blocks of 1,000 junctions in each ( N = 20,000). This set of arrays changes the number of junctions in parallel and series, but keeps the same N. See the effect.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 증가한 병렬 루프들의 수들을 갖는 3개의 SQUIF 어레이들의 부분들의 사진들이며; N _p = 14(도 9a), 35(도 9b) 및 50(도 9c)이다. N _p 가 증가함에 따라, N _s 는 전체 N 을 유사하게 유지하기 위해 감소되었다. 결과들은 더 큰 안티-피크가 Np가 더 작을 때 발생한다는 것을 나타낸다.9A, 9B and 9C are photographs of portions of three SQUIF arrays with an increased number of parallel loops; N _p = 14 (Fig. 9A), 35 (Fig. 9B) and 50 (Fig. 9C). As N _p increases, N _s decreases to keep the total N similar. The results indicate that a larger anti-peak occurs when Np is smaller.

이러한 세트의 추가적인 어레이들로부터의 유사한 데이터가 측정되었고 N _p = 7 내지 50이 플로팅되는 도 8에 요약된다. 이러한 데이터는 직렬 접합들의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압이다. 데이터는 SQUIF 감도를 개선시키는 감도 상의 N _s 의 영향을 제거하기 위해 이러한 방식으로 플로팅된다. 이러한 방식으로 데이터를 플로팅함으로써 2D SQUIF 감도 상에서만 N _p 의 영향을 볼 수 있다. N _p ~ 30 주위의 감도에서 하강(dip)이 있는 것으로 나타나지만, 이것은 인트라-칩 변형들보다 더 큰, 접합 파리미터들에서의 인터-칩 변형들로 인한 가능성이 있다.Similar data from this set of additional arrays were measured and summarized in Figure 8 where N _p = 7-50 is plotted. These data are peak-to-peak voltages normalized by the number of series junctions. The data is plotted in this way to eliminate the influence of N _s on sensitivity which improves SQUIF sensitivity. By plotting the data in this way, we can only see the effect of N _p on the 2D SQUIF sensitivity. N _p ~ 30 There appears to be a dip in ambient sensitivity, but this is likely due to inter-chip deformations in the junction parameters, which are greater than intra-chip deformations.

도 8의 데이터는 어레이들이 더 넓어짐에 따라, 감도가 감소하는 것처럼 보이는 것을 도시하며, 이는 원래 예측된 것이 아니다.The data in Figure 8 shows that as the arrays become wider, the sensitivity appears to decrease, which is not originally predicted.

도 10은 스텝 에지(1502)에 의해 교차되는, 1501과 같은, 루프들의 (참조 번호 1500에서의) 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)의 다른 예를 예시한다. 루프들 각각은 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성한다. 어레이(1500)는 다수의 열들(1503, 1504, 1505 및 1506)을 포함한다. 열들(1503, 1504, 1505 및 1506) 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(1507, 1508 및 1509)을 포함한다. 즉, 1개의 열의 행들은 1510과 같은, 금속 또는 초전도 바들 또는 다른 연결들(connections)에 의해 연결된다. 다수의 행들(1507, 1508 및 1509) 각각은 병렬로 연결되는, 루프(1501)와 같은, 다수의 루프들을 포함한다. 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 위에 설명된 바와 같이 SQUIF의 감도를 개선하기 위해 낮으며, 이는 수가 감도를 증가시키기 위해 병렬 루프들의 수를 증가시키는 현재의 아이디어와 반대로 선택된다는 것을 의미한다.10 illustrates another example of a superconducting quantum interference filter (SQUIF) comprising an array of loops (at 1500), such as 1501, crossed by a step edge 1502. Each of the loops constitutes a superconducting quantum interference device. Array 1500 includes a number of columns 1503, 1504, 1505 and 1506. Each of the columns 1503, 1504, 1505 and 1506 includes a number of rows 1507, 1508 and 1509 connected in series. That is, the rows of one column are connected by metal or superconducting bars or other connections, such as 1510. Each of the plurality of rows 1507, 1508 and 1509 includes a number of loops, such as loop 1501, connected in parallel. The number of loops connected in parallel in each row is low to improve the sensitivity of the SQUIF as described above, meaning that the number is chosen contrary to the current idea of increasing the number of parallel loops to increase the sensitivity. do.

도 10의 예에서, 병렬로 연결되는 6개의 루프들이 있으며, 이는 7개의 접합들을 형성한다. 이러한 예에서 루프들의 병렬 연결은 루프들이 도 10에서 화이트 필(white fill)로서 표시되는, 초전도 재료의 동일한 층을 공유한다는 것을 의미한다. 열들(1503, 1504, 1505 및 1506)은 병렬로 연결된다. 예를 들어, 열(1503)은 행의 양쪽 단부에서 금속 바들(1511 및 1512)에 의해 연결된다. 사실, 금속 바들(1511 및 1512)은 모두 4개의 열들을 병렬로 연결한다. 그러나, 인접한 열들의 루프들은 서로 격리된다. 예를 들어, 열들을 서로 분리시키는 격리 기판(1513)의 영역을 정의하는 열들 사이의 초전도 층에 갭이 있다. 그 결과, 전자들과 같은 전하 캐리어들은 하나의 열의 병렬 연결된 루프들을 가로질러 자유롭게 흐를 수 있지만 상이한 열로 가로질러 흐를 수 없다. 사실상, 이것은 루프들의 전체 배열을 병렬로 연결되는 다수의 분리된 열들로 분할한다. 이것은 직렬 연결된 루프들로 인한 임피던스를 낮게 유지하면서 원하는 다수의 루프들을 달성한다.In the example of Figure 10, there are 6 loops connected in parallel, which form 7 junctions. The parallel connection of the loops in this example means that the loops share the same layer of superconducting material, denoted as white fill in FIG. 10. Columns 1503, 1504, 1505 and 1506 are connected in parallel. For example, column 1503 is connected by metal bars 1511 and 1512 at both ends of the row. In fact, the metal bars 1511 and 1512 all connect four columns in parallel. However, the loops of adjacent rows are isolated from each other. For example, there is a gap in the superconducting layer between the columns defining a region of the isolation substrate 1513 separating the columns from each other. As a result, charge carriers, such as electrons, can flow freely across parallel connected loops of one row, but cannot flow across different rows. In fact, this divides the entire array of loops into a number of separate rows connected in parallel. This achieves the desired number of loops while keeping the impedance due to the series connected loops low.

행과 열의 교차는 또한 셀로서 언급될 수 있고 예시적 셀(1514)이 도 10에 표시된다. 루프들의 수가 모든 셀들에 대해 동일할 필요가 없다는 점을 주목한다. 즉, 더 많은 루프들을 갖는 셀들 및 더 적은 루프들을 갖는 셀들이 있을 수 있다. 예를 들어, 더 넓은 열들 및 더 좁은 열이 있을 수 있거나 루프들의 수가 동일한 열의 셀들 사이에서 변할 수 있다. 다른 예들에서, 그러나, 각각의 셀은 동일한 수의 루프들을 갖는다. 위에 언급된 바와 같이, 루프들은 상이한 루프 영역들을 가질 수 있고 루프 영역들은 통계적 또는 무작위 분포에 따라 분포될 수 있다. 또한, 각각의 셀 및 열은 루프 영역들의 상이한 분포 또는 동일한 분포의 상이한 무작위 샘플들을 가질 수 있다. 다른 예들에서, 루프 영역들은 모든 루프들에 대해 동일하다.The intersection of row and column may also be referred to as a cell and an exemplary cell 1514 is shown in FIG. 10. Note that the number of loops need not be the same for all cells. That is, there may be cells with more loops and cells with fewer loops. For example, there may be wider and narrower rows or the number of loops may vary between cells in the same row. In other examples, however, each cell has the same number of loops. As mentioned above, loops can have different loop regions and loop regions can be distributed according to a statistical or random distribution. Further, each cell and row may have a different distribution of loop regions or different random samples of the same distribution. In other examples, the loop regions are the same for all loops.

하나의 예에서, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만 또는 10개 미만이다. 추가 예에서, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 8개 미만 또는 심지어 7개 미만이다. 일부 경우들에서, 루프들의 수는 2개만큼 낮을 수 있다.In one example, the number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20 or less than 10. In a further example, the number of loops connected in parallel in each row is less than 8 or even less than 7. In some cases, the number of loops can be as low as two.

일부 예들에서, SQUIF 어레이는 어레이의 열들 및 행들에 걸쳐 전체적으로 분포되는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있다. 일부 열들은 더 긴 직렬 연결들을 구현하기 위해 직렬로 연결되는 것이 가능하다. 일 예가 도 11에 도시되며 여기서 열들(1503 및 1504)은 제1 세트의 열들을 형성하고 직렬로 연결되고 열들(1505 및 1506)은 제2 세트의 열들을 형성하고 또한 직렬로 연결된다. 두 결과로 초래된 '이중-열들'은 병렬로 연결된다. 즉, 이중-열(1503/1504)은 디바이스가 도시된 바와 같이 터미널(1601 및 1602/1603)에 연결될 때 이중-열(1505/1506)에 병렬로 연결된다. 다시 말해서, 더 긴 열들은 매우 긴 칩보다 제조하기가 더 쉬운, 사각형 설계에 더 가까운 보다 컴팩트한 설계를 달성하기 위해 어레이 구조로 폴딩된다.In some examples, a SQUIF array may include at least 1,000,000 loops distributed throughout the columns and rows of the array. It is possible that some rows are connected in series to implement longer series connections. An example is shown in FIG. 11 where columns 1503 and 1504 form a first set of columns and are connected in series and columns 1505 and 1506 form a second set of columns and are also connected in series. The resulting'double-columns' are connected in parallel. That is, double-row 1503/1504 is connected in parallel to double-row 1505/1506 when the device is connected to terminals 1601 and 1602/1603 as shown. In other words, the longer rows are folded into an array structure to achieve a more compact design closer to a square design, which is easier to manufacture than a very long chip.

도 12는 직렬로 연결되는 3개의 블록들(즉 세트들)(1701, 1702 및 1703)의 다른 예를 도시하고 블록들(세트들) 각각은 병렬로 연결되는 4개의 열들을 갖고 각각의 열에서 병렬로 연결되는 6개의 루프들이 있다. 이것은 직렬의 12개의 열들보다 더 낮은 임피던스를 갖지만 비슷한(comparable) 감도를 갖는다.12 shows another example of three blocks (i.e. sets) 1701, 1702 and 1703 connected in series, and each of the blocks (sets) has four columns connected in parallel and in each column There are 6 loops connected in parallel. It has a lower impedance than the 12 columns in series, but with comparable sensitivity.

도 13은 4개의 4-열 블록들의 직렬/병렬 연결의 추가적인 예를 예시한다. 임의의 하나의 열에서의 병렬 연결된 루프들의 수는 6개로 남아 있는 반면 전체 직렬 연결된 루프들의 수는 또한 6개로 남아 있지만 루프들의 총 수는 48개이다.13 illustrates a further example of a series/parallel connection of four four-row blocks. The number of parallel connected loops in any one row remains 6, while the total number of series connected loops also remains 6, but the total number of loops is 48.

일부 예들에서, SQUIF는 특정의 원하는 임피던스를 달성하도록 설계될 수 있다. 그러한 경우, 직렬의 루프들의 수는 원하는 임피던스를 달성하도록 선택되고 그 다음 직렬 연결된 루프들의 수는 루프들의 원하는 총 수와 함께 깊고 선형의 전압 응답 안티-피크를 달성하기 위해, 20개와 같이, 작게 유지된다. 예를 들어, 원하는 임피던스를 위한 1,000,000개의 루프들의 총 수, 병렬의 20개의 루프들 및 직렬의 1000개의 루프들의 경우, 50개의 병렬 연결된 열들이 있을 것이다. 상술한 바와 같이, 각각의 열은 여러 번 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 250개의 루프들은 칩의 높이로 피팅될 수 있으며 이는 병렬 연결된 열들 중 하나를 형성하기 위해 4개의 직렬 연결된 열들이 있을 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말해서, SQUIF는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수, 직렬로 연결되는 열들의 수 및 병렬로 연결되는 열들의 수는 어레이의 임피던스가 1 ㏀ 이하이거나 50　Ω과 같은 임의의 다른 원하는 임피던스 값인 것과 같다.In some examples, the SQUIF can be designed to achieve a specific desired impedance. In such case, the number of loops in series is chosen to achieve the desired impedance and then the number of loops connected in series is kept small, such as 20, to achieve a deep and linear voltage response anti-peak with the desired total number of loops. do. For example, for the total number of 1,000,000 loops for the desired impedance, 20 loops in parallel and 1000 loops in series, there will be 50 parallel connected rows. As described above, each row can be folded multiple times. For example, 250 loops could be fitted to the height of the chip, which means that there could be 4 series connected rows to form one of the parallel connected rows. In other words, the SQUIF contains at least 1,000,000 loops, the number of loops connected in parallel in each row is greater than 2 and less than 20, and the number of loops connected in parallel in each row, the columns connected in series. The number of columns and the number of rows connected in parallel is equal to the impedance of the array equal to or less than 1 kΩ or any other desired impedance value such as 50 kΩ.

설계 파라미터들을 보는 더 다른 방식에서, 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함한다. 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함한다. 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 병렬로 연결되는 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만이다. 다양한 상이한 옵션들이 아래 표에 제공된다:In a further way of looking at the design parameters, the array includes a number of at least two rows connected in parallel. Each of the columns includes a number of rows connected in series. Each of the plurality of rows includes a number of loops connected in parallel. The number of loops connected in parallel in each row is more than twice and less than 10 times the number of columns connected in parallel. Various different options are provided in the table below:

병렬 열들의 수Number of parallel columns 하기 미만의 병렬 루프들의 수Number of parallel loops less than 22 2020 33 3030 55 5050 1010 100100 100100 1,0001,000

어레이를 설계하는 또 다른 예에서, SQUIF는 각각이 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 적어도 1,000,000개의 루프들과 같은, 루프들의 큰 총 수의 어레이를 포함한다. 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 다수의 행들을 포함하고 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 그러한 경우, 어레이는 병렬 연결된 루프들의 수를 낮게 유지하기 위해 병렬로 연결되는 (폴딩될 수 있는) 적어도 100개의 열들의 수를 포함한다. 열들의 수는 1,000개 또는 10,000개일 수 있다. 더 다른 예에서, 열들의 수는 원하는 임피던스를 초래하는 직렬 연결된 루프들의 수에 의해 분할되고 30(또는 20, 10, 8 또는 7)에 의해 분할되는 루프들의 총 수 이다.In another example of designing an array, the SQUIF comprises an array of a large total number of loops, such as at least 1,000,000 loops, each constituting a superconducting quantum interference device. Each of the columns includes a plurality of rows connected in series and each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel. In such case, the array contains a number of at least 100 rows (which can be folded) connected in parallel to keep the number of parallel connected loops low. The number of rows may be 1,000 or 10,000. In yet another example, the number of columns is the total number of loops divided by the number of series connected loops resulting in the desired impedance and divided by 30 (or 20, 10, 8 or 7).

본원에 설명되는 일부 예들은 가변 루프 영역들을 갖는 SQUIF 디바이스들에 관한 것이지만, 일정 영역 SQUID 어레이들이 또한 자력계들과 같은 설명된 개념들과 관련하여 사용될 수 있다. 그들은 더 재현가능한 파라미터들을 가질 수 있고 10,000개의 SQUID들 보다 더 많이 포함할 수 있는 SQUID 어레이들에서 Nb/AlOx/Nb, HTS, LTS 및 MgB2 접합들을 사용할 수 있다.While some examples described herein relate to SQUIF devices with variable loop regions, constant region SQUID arrays may also be used in connection with the described concepts such as magnetometers. They may have more reproducible parameters and may use Nb/AlOx/Nb, HTS, LTS and MgB2 junctions in SQUID arrays that may contain more than 10,000 SQUIDs.

단일 안티-피크가 관심인 하나의 이유는 자기 필드의 SQUID 측정들에서, 피드백 제어를 사용하는 측정들 동안 SQUID가 측정들의 저하(deterioration)를 초래하고 디바이스가 그것을 "재설정(reset)"하기 위해 예열 및 재-냉각될 필요가 있는 "플럭스 점프들(flux jumps)"로서 또한 언급되는, 소스들의 범위로부터 자기 필드에서의 갑작스러운 증가들로 인해 사인파들 중 하나로부터 다른 것으로 "점프"할 수 있는 (이것은 이완 락(Loosing Lock)으로 지칭됨) 문제들이 있을 수 있다는 것일 수 있다. 다른 동일 크기 전압 발진이 근처에 없는 경우, 하나의 주요 안티-피크를 갖는 SQUIF들에 대한 경우에서와 같이, 이때, SQUID가 락(lock)을 잃었다는 것이 훨씬 더 두드러진다. 따라서, 어레이들이 RF 검출을 위한 감도를 증가시키기 위해 사용되는 경우, 이때, SQUIF 어레이보다 더 양호한 감도를 제공한 경우, SQUID 어레이를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 SQUID 어레이를 사용하지 않는 이유는 SQUIF 안티-피크가 많은 유사한 사인파들의 적산(summation)으로 인해 단지 다른 사인파(더 큰 피크 투 피크) 이어야만 하는 SQUID 어레이와 비교하여, 더 커야하고(더 큰 동적 범위를 제공함) 또한 그것의 최대 기울기에서 더 큰 범위에 걸쳐 더 선형적이어야 한다는 것이다. 피드백은 단일 SQUID 응답을 선형화하기 위해 사용될 수 있지만 이것은 또한 동적 범위를 제한한다. SQUID 어레이들은 또한 자기 필드들에 대한 보다 라운딩된 정현(sinusoidal) 전압 응답들로 인해 노이즈에 대해 더욱 민감하다. 이것은 더 많은 공격적인 피드백 루프가 SQIF 어레이와 함께 사용될 수 있다는 것을 의미한다(이는 또한 대역폭을 감소시킬 수 있음).One reason single anti-peak is of interest is that in SQUID measurements of the magnetic field, during measurements using feedback control, the SQUID causes a deterioration of the measurements and the device warms up to "reset" it. And being able to "jump" from one of the sine waves to the other due to sudden increases in the magnetic field from a range of sources, also referred to as "flux jumps" that need to be re-cooled ( This may be that there may be problems (referred to as Loosing Lock). It is even more pronounced that the SQUID has lost lock at this time, as is the case for SQUIFs with one major anti-peak, if there is no other equal-sized voltage oscillation nearby. Therefore, when arrays are used to increase the sensitivity for RF detection, at this time, it may be desirable to use a SQUID array when providing better sensitivity than the SQUIF array. The reason for not using the SQUID array here is that the SQUIF anti-peak should be larger (larger dynamic range) compared to the SQUID array, which should only be another sine wave (larger peak to peak) due to the summation of many similar sine waves It should also be more linear over a larger range at its maximum slope. Feedback can be used to linearize a single SQUID response, but this also limits the dynamic range. SQUID arrays are also more sensitive to noise due to the more rounded sinusoidal voltage responses to the magnetic fields. This means that more aggressive feedback loops can be used with the SQIF array (which can also reduce bandwidth).

위의 설명은 5 내지 10옴의 단일 접합 정상 저항을 초래할 수 있는 YBCO와 같은, 고온 초전도 재료에 관한 것이라는 점이 주목된다. 그러나, 다른 재료, 예컨대 저온 초전도 재료들 및 다른 것들이 동일하게 사용될 수 있다. 마찬가지로, YBCO 또는 다른 HTS 재료들에 대해 사용되는 다른 접합 타입들이 동일하게 사용될 수 있다.It is noted that the above description relates to high temperature superconducting materials, such as YBCO, which can result in a single junction normal resistance of 5 to 10 ohms. However, other materials such as low temperature superconducting materials and others may equally be used. Likewise, other bonding types used for YBCO or other HTS materials could equally be used.

예들Examples

고온 초전도(high-temperature superconducting; HTS) SQUID들의 수 개의 1차원(1D) 병렬 어레이들의 전압-자기 필드 응답은 병렬의 수 N=4 내지 81개의 조셉슨 접합들의 함수로서 측정되었다. 동일한 루프 영역들을 갖는 SQUID 어레이들은 실험적으로 측정되었다. 어레이들의 감도는 일반적으로 표준 모델들의 예측과 반대로, 병렬의 접합들의 수가 증가함에 따라 감소하였다. 전체 이론적 설명은 단일 DC SQUID에 대한 모델을 어레이의 모든 루프들을 통해 순환하는 전류들에 의해 생성되는 플럭스를 포함하는 병렬의 다수의 루프들로 확장시킴으로써, 인가된 자기 필드에서 1D 병렬 HTS 어레이들을 설명하기 위해 개발되었다. 계산들은 초전도 양자 간섭 필터들(superconducting quantum interference filters; SQIFs)로서 달리 공지된, 루프 영역들에서 변형들을 갖지 않는 SQUID 어레이들에 대해 그리고 루프 영역들의 범위를 갖는 어레이들에 대해 수행되었다. 모델은 임계 전류 및 정상 저항 및 그들의 공지된 큰 통계적 변형들(30%)과 같은, HTS 조셉슨 접합 파라미터들에 대한 전형적인 값들을 포함하는, HTS 어레이들과 관련된 파라미터들을 사용하였다. 전류 바이어싱 리드들의 위치의 영향은 또한 계산들을 통해 탐구되었다. 이러한 모델은 상이한 기하구조들의 실험적으로 측정된 1D 어레이들과의 양호한 일치를 도시하고 어레이 응답을 최적화할 때 어레이들에 대한 전류 바이어싱 리드들의 기하구조의 중요성을 강조한다.The voltage-magnetic field response of several one-dimensional (1D) parallel arrays of high-temperature superconducting (HTS) SQUIDs was measured as a function of the number of parallels N =4 to 81 Josephson junctions. SQUID arrays with the same loop regions were measured experimentally. The sensitivity of the arrays generally decreased as the number of junctions in parallel increased, contrary to the prediction of standard models. The full rationale describes 1D parallel HTS arrays in an applied magnetic field by extending the model for a single DC SQUID into a number of parallel loops containing the flux produced by currents circulating through all loops in the array. Was developed to Calculations were performed for SQUID arrays with no strains in loop regions and for arrays with a range of loop regions, otherwise known as superconducting quantum interference filters (SQIFs). The model used parameters associated with HTS arrays, including typical values for HTS Josephson junction parameters, such as threshold current and steady resistance and their known large statistical variations (30%). The influence of the position of the current biasing leads was also explored through calculations. This model shows good agreement with the experimentally measured 1D arrays of different geometries and highlights the importance of the geometry of the current biasing leads to the arrays when optimizing the array response.

HTS SQIF 및 SQUID 어레이 감도의 스케일링(scaling)과 연관되는 문제를 해결하기 위해, 본 개시는 실험적으로 및 이론적으로, N=3 내지 81개의 접합들을 갖는 작은 1D 병렬 SQUID 어레이들 및 SQIF 어레이들의 감도를 조사한다. 특히, SQIF 감도 상의 전류 바이어싱 방식의 영향 뿐만 아니라, 1D 어레이에서 증가하는 병렬 접합들의 수로 인한 어레이 감도 상의 영향을 조사한다. 이들 HTS SQIF 어레이들은 MgO 기판들 상의 박막 YBCO 스텝-에지 접합들에 기초한다. 계산들은 개별 어레이 루프들 주위를 흐르는 전류들 및 인가된 자기 필드로 인해 어레이에서 각각의 루프를 관통하는 플럭스를 고려함으로써 유도되며, 단일 dc SQUID의 전압-필드 성능을 계산하기 위해 사용되는 모델들을 확장시킨다. HTS 접합들의 접합 파라미터 특성들에서의 통계적 스프레드들(spreads)은 SQUID 루프 영역들(인덕턴스들) 및 분포들의 범위와 함께 모델에서 고려된다.To solve the problem associated with the scaling of HTS SQIF and SQUID array sensitivity, the present disclosure experimentally and theoretically demonstrates the sensitivity of small 1D parallel SQUID arrays and SQIF arrays with N = 3 to 81 junctions. Investigate. In particular, not only the effect of the current biasing method on the SQIF sensitivity, but also the effect on the array sensitivity due to the increasing number of parallel junctions in the 1D array is investigated. These HTS SQIF arrays are based on thin film YBCO step-edge junctions on MgO substrates. Calculations are derived by taking into account the currents flowing around the individual array loops and the flux through each loop in the array due to the applied magnetic field, extending the models used to calculate the voltage-field performance of a single dc SQUID. Let it. Statistical spreads in the junction parameter properties of the HTS junctions are considered in the model along with the range of SQUID loop regions (inductances) and distributions.

어레이 설계, 제작 및 측정Array design, fabrication and measurement

YBCO 스텝-에지 조셉슨 접합들에 기초한 1D SQUID 및 SQIF 어레이들은 아르곤 이온-빔 밀링[Foley 등. 1999]에 기초한 확립된 기술을 사용하여 그들의 표면으로 에칭되는 스텝들을 갖는 MgO 기판들 중 1 cm² 기판들 상으로 YBCO의 에피택셜 박막들(약 100 nm 내지 200 nm)을 성장시킴으로써 리소그래픽적으로 제작되었다. 그레인 경계들(Grain boundaries)은 조셉슨 접합들을 생성하는 MgO 스텝의 상단 에지에서, e-빔 증발을 사용하여 증착되는, YBCO 필름에 형성된다. 그 다음, 필름들은 2 ㎛ 폭 스텝-에지 조셉슨 접합들을 갖는 다양한 1D 접합 어레이 설계들로 제작된다. 병렬 접합들의 수, N _p 는 4에서 81까지 증가하였고 동일한 기판 상에 제작되었다. 이것은 각각의 어레이에서 N _p -1 SQUID 루프들에 대응하며; 도 1의 예는 N _p = 10개의 접합들, 및 따라서 병렬의 9개의 SQUID 루프들을 갖는다.1D SQUID and SQIF arrays based on YBCO step-edge Josephson junctions were used in argon ion-beam milling [Foley et al. 1999] by lithographically growing epitaxial thin films of YBCO (about 100 nm to 200 nm) onto 1 cm ² substrates of MgO substrates with steps etched into their surface. Was produced. Grain boundaries are formed in the YBCO film, which is deposited using e-beam evaporation, at the top edge of the MgO step that creates Josephson junctions. The films are then fabricated in various 1D bond array designs with 2 μm wide step-edge Josephson bonds. The number of parallel junctions, N _p is Increased from 4 to 81 and fabricated on the same substrate. This corresponds to N _p -1 SQUID loops in each array; The example of FIG. 1 has N _p = 10 junctions, and thus 9 SQUID loops in parallel.

증가한 병렬 루프들의 수와 함께 동일 루프 영역들(SQUID 루프 홀들은 w = 4 ㎛ 폭 및 h = 8 ㎛ 높이 이었음)을 갖는 1D SQUID 어레이들의 2개의 세트들이 제작되었고 N _p = 4, 6, 11, 21, 31을 갖는 제1 세트 및 N _p = 8, 16, 51, 81을 갖는 제2 세트로 측정되었다. 상이한 세트들은 전류 바이어싱 기하구조들의 영향을 실험적으로 조사하기 위해 설계되었다. 각각의 어레이는 어레이의 중앙에 대략적으로 위치되는 단일 전류 바이어싱 리드를 가졌고 어레이들은 모두 동일한 YBCO 필름으로 동일한 MgO 기판 상에 제작되었다.Two sets of 1D SQUID arrays having the same loop regions (SQUID loop holes were w = 4 μm width and h = 8 μm height) with an increased number of parallel loops were fabricated and N _p = 4, 6, 11, Measured with a first set with 21, 31 and a second set with N _p = 8, 16, 51, 81. Different sets were designed to experimentally investigate the effect of current biasing geometries. Each array had a single current biasing lead positioned approximately in the center of the array and the arrays were all fabricated on the same MgO substrate with the same YBCO film.

전류-전압(I-V) 및 전압-자기 필드(V-B) 특성들은 지구의 자기 필드를 차단하기 위해 5층의 뮤-메탈(mu-metal) 차폐를 갖는 액체 질소의 듀어(dewar)에서 측정 프로브 상의 어레이들을 냉각시킴으로써 77 K에서, 표준 4-터미널 방법을 사용하여, 모든 어레이들에 대해 측정되었다. 어레이들의 임계 전류, I _c 및 정상 저항, R _na 은 직선을 I _c 보다 5배 더 큰 전류에서 I-V 데이터에 피팅시킴으로써 I-V 특성으로부터 결정되었다. 라인의 기울기 및 y-절편은 각각 R _na 및 I _c 를 계산하기 위해 사용되었다. 어레이들의 인덕턴스 인자,

는 FastHenry 및 평균 접합 임계 전류(I _c )를 사용하여 결정되는 (기하학적 및 운동학적 SQUID 인덕턴스 둘 다를 포함하는) 단일 SQUID 루프 인덕턴스, L _s 로부터 결정되었다.The current-voltage ( IV ) and voltage-magnetic field ( VB ) characteristics can be applied to arrays on the measuring probe in a dewar of liquid nitrogen with five layers of mu-metal shielding to block the earth's magnetic field. At 77 K by cooling, measurements were made for all arrays, using the standard four-terminal method. The threshold current, I _c and steady resistance, R _na of the arrays was determined from the IV characteristic by fitting a straight line to the IV data at a current 5 times greater than I _c . The slope and y-intercept of the line are R _na and It was used to calculate I _c . The inductance factor of the arrays,

Was determined from a single SQUID loop inductance, L _s (including both geometric and kinematic SQUID inductances), determined using FastHenry and average junction threshold current ( I _c ).

실험 결과들Experimental results

더 큰 SQUID 및 SQIF 어레이들의 감도를 그들의 감도가 그들의 단일 SQUID 등가 전압 변조들에 비례하여 스케일링되도록 개선하기 위한 방법으로서[Schultze 등, 2006], 본 개시는 1D 병렬 어레이 동일 루프 영역 SQUID 어레이들에 기초하여 기하구조들을 조사한다. 루프 영역들(인덕턴스들)은 β _L < 1을 보장한다. 여기서, 우리는 N _p =4 내지 81을 갖는 증가한 병렬 접합들의 수를 갖는 SQUID들의 1D 병렬 어레이들의 전압-자기 필드(V-B) 측정들에 대해 보고한다.As a method for improving the sensitivity of larger SQUID and SQIF arrays so that their sensitivity is scaled proportionally to their single SQUID equivalent voltage modulations [Schultze et al., 2006], the present disclosure is based on 1D parallel array co-loop region SQUID arrays. To investigate the geometry. Loop regions (inductances) ensure β _L <1. Here, we report on voltage-magnetic field ( VB ) measurements of 1D parallel arrays of SQUIDs with increased number of parallel junctions with N _p =4 to 81.

5개의 타입 A 및 4개의 타입 D 어레이들의 전압-자기 필드 응답이 각각 도 15a 및 도 15b에 도시된다. 어레이의 각각의 측정에 대해, 바이어스 전류(I _b )는 전압 변조를 최대화하도록 선택되었다.The voltage-magnetic field responses of five Type A and four Type D arrays are shown in Figs. 15A and 15B, respectively. For each measurement of the array, the bias current I _b was chosen to maximize voltage modulation.

N _p ≤16의 더 작은 값들을 갖는 어레이들의 경우, V-B 응답들은 피크 투 피크 전압들(V _p-p)이 일부 더 작은 주기 진동들이 중첩되는, 더 큰 주기 엔벨로프 함수 내에서 변조되는 큰 진동들에 의해 지배된다.

와 관련되는 더 좁은 어레이들의 지배적인 주기는 제1 세트에 대해 약 20 μT 및 제2 세트에 대해 14.9 μT 이었으며, 이는

에 따라서 각각, 104 μm²(139 μm²)에 대응한다. 이들 정의적(affective) 영역들은 A _eff = 96 μm² 및 144 μm²의 예측된 값들에 가깝다. N _p 가 증가함에 따라 제로 필드에서의 안티-피크는 진폭에서 감소하고 양측의 최대 기울기는 감소하며, 더 불충분한 감도를 의미한다. 게다가, 더 넓은 어레이들의 주기성은 도 21a 및 도 21b에서 N _p >16에 대해 저하된다. N _p = 51을 갖는 어레이들의 경우, 81개의 메인 안티-피크가 모두 함께 사라졌고, 더 높은 필드 진동들은 메인 주기와 회선되는(convoluted) 다수의 특징들을 갖는다. For arrays with smaller values of N _p ≤ 16, the VB responses are due to the peak-to-peak voltages ( V _pp ) being modulated within a larger periodic envelope function, where some smaller periodic oscillations are superimposed. Dominated.

The dominant period of the narrower arrays associated with was about 20 μT for the first set and 14.9 μT for the second set, which

Respectively, corresponding to 104 μm ² (139 μm ² ). These affective regions are A _eff = 96 μm ² and It is close to the predicted values of 144 μm ² . As N _p increases, the anti-peak at the zero field decreases in amplitude and the maximum slope on both sides decreases, meaning less sensitive sensitivity. In addition, the periodicity of the wider arrays degrades for N _p >16 in Figs. 21A and 21B. For arrays with N _p = 51, the 81 main anti-peaks all disappeared together, and the higher field oscillations have a number of features convoluted with the main period.

모든 어레이들에 대한 감도들은 제로 필드에 가까운 V-B 곡선들의 최대 기울기로서 결정되었다. N _p > 20을 갖는 어레이들의 경우, 최대 감도는 제로 필드에서 주목할 만한 안티-피크의 부재로 인해 반드시 제로 필드에 가까이 있을 필요가 없었다. 이들 더 긴 어레이들의 경우, 기록된 감도는 그 대신 더 짧은 어레이들에 대해 측정된 바와 같은 동일한 안티-피크 위치에 가까운 V-B 곡선들의 기울기로부터 획득되었다. 함수 N _p 로서 두 세트들의 어레이들에 대한 1D 어레이 감도(dV/dB)의 요약이 도 16에 도시된다. 사각형 데이터 포인트들(제1 세트)은 대략 N _p =10 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 최대 감도를 도시하는 반면, (제2 세트)를 나타내는 원형 데이터 포인트들은 N _p 가 증가함에 따라 감도의 연속 감소를 도시한다. 두 경우들에서, N _p > 10인 경우 어레이 감도는 N _p =20이 일부 응용들에 대해 유용한 감도를 제공할 수 있다는 점을 주목할 때 감소한다. 어레이 폭이 증가함에 따라 감도의 감소는 어레이들 주위를 순환하는 더 큰 초전도 차폐 전류들로 인해 발생하는 큰 필드 효과들로 인한 가능성이 가장 크며, 이는 그들이 최적으로 바이어스될 때, 초과 플럭스를 어레이들로 결합시킨다.The sensitivities for all arrays were determined as the maximum slope of the VB curves close to the zero field. For arrays with N _p > 20, the maximum sensitivity did not necessarily have to be close to the zero field due to the absence of a noticeable anti-peak at the zero field. For these longer arrays, the recorded sensitivity was instead obtained from the slope of the VB curves close to the same anti-peak location as measured for the shorter arrays. A summary of the 1D array sensitivity (d V /d B ) for two sets of arrays as a function N _p is shown in FIG. 16. The square data points (first set) show the maximum sensitivity for 1D arrays with approximately N _p = 10 junctions, while the circular data points representing (second set) show a continuation of sensitivity as N _p increases. Shows the reduction. In both cases, if N _p > 10, the array sensitivity decreases when noting that N _p =20 can provide useful sensitivity for some applications. As the array width increases, the decrease in sensitivity is most likely due to the large field effects caused by the larger superconducting shielding currents circulating around the arrays, which, when they are optimally biased, causes the arrays to lose excess flux. Combine with

이론적 모델링Theoretical modeling

여기서 개발되는 모델은 HTS 재료 파라미터들을 가정하여 1D 어레이들을 설명한다. 그것은 루프에서 2개의 조셉슨 접합들을 갖는 단일 DC SQUID를 설명하는 이전 모델들[Tesche & Clarke 1977]로 시작하고, 그것을 병렬의 N _p 접합들을 포함하는 N _p-1 루프들을 갖는 어레이로 확장시킨다(도 23a, 도 23b). 루프들을 순환하는 전류들은 접합들을 통해 수직 전류들(I _j ) 및 j번째 루프의 상단 및 하단 주위의 수평 전류들(J _j )로 분할된다. 바이어스 리드들을 통해 어레이로 주입되는 바이어스 전류(I _bj )가 또한 포함된다. 2개의 바이어싱 방식들(schemes)이 모델링되며; 제1 방식은 전류가 1D 어레이를 따라 하나의 바이어스 리드를 통해 주입된다고 가정하며, I _bj 는 그 위치가 모델(도 17a)에서 선택될 수 있지만 전형적으로 어레이의 중앙에 가까이 있다. 제2 방식은 (I _bNp 까지) 접합들이 있는 바와 같이 바이어스 리드들의 동일한 수 N _p 를 통해 어레이를 "균일하게 바이어싱하는 것"을 포함한다(도 17b). 각각의 루프에 대해, 게이지 불변 위상 차이,

의 함수로서 조셉슨 접합들을 통해 전류 및 전압을 설명하는 표준 조셉슨 접합들은 I _j 를 결정하기 위해 사용된다. 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's law)은 각각의 루프 주위의 이들 전류들을 r가산하기 위해 사용된다.The model developed here describes 1D arrays assuming HTS material parameters. It starts with previous models [Tesche & Clarke 1977] describing a single DC SQUID with two Josephson junctions in a loop, and extends it to an array with N _p-1 loops containing parallel N _p junctions (Fig. 23a, Fig. 23b). The currents circulating through the loops are divided into vertical currents I _j through the junctions and horizontal currents J _j around the top and bottom of the j th loop. A bias current I _bj injected into the array through the bias leads is also included. Two biasing schemes are modeled; The first scheme assumes that current is injected through one bias lead along the 1D array, where I _bj is typically close to the center of the array, although its location can be chosen in the model (Fig. 17A). The second approach involves "uniformly biasing" the array through the same number of bias leads N _p as there are junctions (up to I _bNp ) (Fig. 17B). For each loop, the gauge invariant phase difference,

Standard Josephson junctions that describe the current and voltage through the Josephson junctions as a function of are used to determine I _j . Kirchhoff's law is used to add r these currents around each loop.

그 다음, 각각의 루프의 플럭스,

는 인가된 플럭스로 인해 그리고 루프들에서 순환하고 바이어스 리드들에서 흐르는 초전도전류(supercurrent)로 인한 플럭스로 인해 계산된다. 제2 긴즈버그 란다우(Ginzburg-Landau) 방정식 [1]에 기초하여, 그 다음,

에 대한 1차 미분 방정식들의 결합된 시스템이 수치적으로 해결된다.Then, the flux of each loop,

Is calculated due to the applied flux and due to the supercurrent circulating in the loops and flowing in the bias leads. Based on the second Ginzburg-Landau equation [1], then,

The combined system of first order differential equations for is solved numerically.

[1]

[One]

방정식 [1]에서,

는 전류 밀도이고, λ는 투과 깊이이고,

는 자유 공간의 투과도이고,

는 플럭스이고

는 자기 벡터 전위이며 여기서

이다. 모든 루프들로부터의 자기-인덕턴스들, 운동 인덕턴스들 및 상호 인덕턴스들이 계산들에 포함되었다. 최종적으로, 디바이스에 걸친 시간-평균 전압 <V>는 정규화된 단위들에서,

의 시간 미분인,

로부터 계산된다. 이러한 방법은 먼저 1D SQIF 어레이에서 그들의 LTS 접합들에 대해 Oppenlander 등(2000)에 의해 유도되는 전압-자기 필드 응답을 검증하기 위해 사용되었다. 그 다음, 다음의 결과들은 병렬 접합들의 가변 수, N _p 를 갖는 1D 어레이에서 HTS 접합들에 대해 유도되었다. 중요한 파라미터인, SQUID 인덕턴스 파라미터

는 단일 SQUID 루프 파라미터와 유사하고 다음 2개의 변수들의 곱에 비례한다; I _c , 평균 접합 임계 전류 및 L _s , 평균 SQUID 인덕턴스 즉 자기-인덕턴스 플러스 운동 인덕턴스의 평균. 모델은 단일 변수로서 β _L 의 변형들의 영향을 고려하지만, 실제로 어레이들을 설계 시, 개별 파라미터들 I _c 및 L _s 의 실험 값들은 중요한 설계 파라미터들이다.In equation [1],

Is the current density, λ is the penetration depth,

Is the permeability of free space,

Is the flux

Is the magnetic vector potential where

to be. Self-inductances, kinetic inductances and mutual inductances from all loops were included in the calculations. Finally, the time-averaged voltage < V > across the device is in normalized units,

Which is the time derivative of,

Is calculated from This method was first used to verify the voltage-magnetic field response induced by Oppenlander et al. (2000) for their LTS junctions in a 1D SQIF array. Then, the following results were derived for HTS junctions in a 1D array with a variable number of parallel junctions, N _p . An important parameter, the SQUID inductance parameter

Is It is similar to a single SQUID loop parameter and is proportional to the product of the next two variables; I _c , mean junction critical current and L _s , mean SQUID inductance i.e. mean of self-inductance plus kinetic inductance. Models of β _L as a single variable, Consider the influence of the variations, but when actually designing the arrays, the individual parameters I _c and The experimental values of L _s are important These are the design parameters.

여기에 설명되는 모델은 실제의(real-world) HTS 디바이스들을 더 양호하게 반영하기 위해 큰 다중-파라미터 공간을 포함한다는 점이 주목된다. I _c , 및 접합 정상 저항 R과 같은 디바이스 파라미터들에서의 큰 통계적 스프레드들(σ ~ 30% 내지 35%)은 문헌에서 이전에 보고된 HTS 디바이스 파라미터들을 반복하기 위해 모델에 포함되었다. 마찬가지로, 루프 영역 및/또는 루프 인덕턴스의 스프레드는 SQIF 응답이 요구될 때 어레이들을 모델링하기 위해 사용된다. 따라서, 이러한 모델은 N _p , β _L 및 바이어스 전류 I _bj 뿐만 아니라 I _c R, L _s 에서 파라미터 스프레드들을 시험한다. 열적 노이즈는 결과들이 77 K 동작과 동일한 열적 노이즈의 포함이 본원에 설명되는 주요 결론들 또는 일반적인 경향들을 변화시키지 않는다고 제안함에 따라, 모델에 추가되지 않았다. 이것에 대한 이유는 모델에서의 총 바이어스 전류, I _b 가 모든 접합 I _c 의 합보다 더 크도록 선택되었기 때문이다.It is noted that the model described here includes a large multi-parameter space to better reflect real-world HTS devices. Large statistical spreads (σ ~ 30% to 35%) in device parameters such as I _c , and junction normal resistance R were included in the model to iterate the HTS device parameters previously reported in the literature. Likewise, the spread of loop area and/or loop inductance is used to model the arrays when an SQIF response is required. Thus, these models are N _p , β _L and Test parameter spreads at I _c R and L _s as well as bias current I _bj . Thermal noise was not added to the model, as the results suggested that the inclusion of thermal noise equal to 77 K operation did not change the main conclusions or general trends described herein. The reason for this is that the total bias current in the model, I _b, was chosen to be greater than the sum of all junctions I _c .

1D 병렬 SQUID 어레이들 및 SQIF 어레이들의 이론적 모델링Theoretical modeling of 1D parallel SQUID arrays and SQIF arrays

본원에 제시되는 1D SQUID 어레이들에 대한 실험 결과들은 접합들(및 따라서 루프들)의 수가 대략 8개 내지 10개를 넘어 증가함에 따라, 어레이의 자기 필드 감도는 감소하고, V-B 응답들은 카운터 직관(intuitive) 전압 응답들로 덜 주기적이 된다는 것을 발견하였다. 다음 설명에서, 우리는 HTS 디바이스들에서 전형적으로 발견되는 접합 파라미터들에서의 변형들을 포함하는, 우리의 실험 어레이들에서 발견되는 유사한 파라미터들을 사용하여, 어레이들에서 증가한 접합들의 수를 갖는 1D SQUID 및 SQIF 어레이들을 모델링한다. 결과들은 1D SQUID 어레이들(동일 영역 루프들, 즉

= 0을 가짐) 및 1D SQIF 어레이들(루프 영역들 범위인,

= 0.07, 0.3을 가짐)의 이론적 계산들로부터 제시되고 실험 작업에서 전형적으로 측정되는 파라미터들 및 파라미터 스프레드들을 포함한다. 계산들은 정규화된 단위들로 제시되며, 여기서 전압 응답들은 I _c R _n 곱으로 정규화되는 반면 인가된 플럭스는 단일 플럭스 양자

로 정규화되는 인가된 플럭스

의 관점들에서 플로팅된다. 어레이들은 그들의 임계 전류 바로 위에서 바이어스된다.Experimental results for 1D SQUID arrays presented herein show that as the number of junctions (and thus loops) increases beyond approximately 8-10, the magnetic field sensitivity of the array decreases, and the VB responses are counter intuitive ( Intuitive) voltage responses were found to be less periodic. In the following description, we use similar parameters found in our experimental arrays, including variations in bonding parameters typically found in HTS devices, and 1D SQUID with increased number of junctions in the arrays. Model SQIF arrays. The results are 1D SQUID arrays (co-region loops, i.e.

= 0) and 1D SQIF arrays (which is a range of loop regions,

= 0.07, having 0.3), and includes parameters and parameter spreads that are typically measured in experimental work. The calculations are presented in normalized units, where the voltage responses are I _c R _n The applied flux is normalized by the product, whereas the applied flux is both a single flux

Applied flux normalized to

Are plotted in terms of. Arrays are biased just above their threshold current.

접합 파라미터들(

)에서 동일 영역 루프들 및 스프레드를 갖는 SQUID 어레이들 Joint parameters (

) SQUID arrays with co-area loops and spreads

도 18은 어레이의 중심이 1.1 x 4I _c 에서 바이어스되는 β _L = 0.3, 0.7 및 1.0의 3개의 값들에 대해 N_p = 4개의 접합들을 갖는 도 2에 도시된 1D 어레이에 기초한 모델을 사용하여 계산되는 3개의

곡선들의 예들을 도시한다. β _L 이 증가함에 따라, 전압 변조 진폭는 감소하고

응답의 기울기는 감소하여 어레이 감도가 감소하고 있다는 것을 의미한다. 모든 곡선들은 도 21b에서 실험 데이터와 일치하는 플럭스/자기 필드의 이러한 범위에 대해 유사한 전압 피크 높이들을 도시한다. β _L

0의 경우, 모델들은 제로 볼트들에 도달하는 미니마(minima)를 갖는 (정규화되는) 1.0의 최대 전압 변조를 예측한다[ppenlander 등 2000]. 그러나 β _L 의 이들 범위의 경우, 모델은 전압 미니마가 최대 전압의 0.25 내지 0.53배인 것으로 예측한다(도 18). 사실 β _L = 0.3의 경우, 도 18은 β _L = 0.44를 갖는 어레이에 대해 최대 전압의 약 0.37배의 변조 깊이를 갖는 도 15b에 도시된 실험 데이터와 일치하는 0.53<V>의 피크 투 피크 값을 나타낸다.Figure 18 uses the model based on the 1D array shown in Figure 2 with N _p = 4 junctions for three values of β _L = 0.3, 0.7 and 1.0 with the center of the array biased at 1.1 x 4 I _c . 3 figured

Examples of curves are shown. As β _L increases, the voltage modulation amplitude decreases and

The slope of the response is decreasing, meaning that the array sensitivity is decreasing. All curves show similar voltage peak heights for this range of flux/magnetic field consistent with the experimental data in FIG. 21B. β _L

In the case of zero, the models predict a maximum voltage modulation of 1.0 (normalized) with a minima reaching zero volts [ppenlander et al. 2000]. However, for these ranges of β _L , the model predicts that the voltage minima is 0.25 to 0.53 times the maximum voltage (Fig. 18). In fact, for β _L = 0.3, FIG. 18 shows a peak-to-peak value of 0.53 < V > consistent with the experimental data shown in FIG. 15B with a modulation depth of about 0.37 times the maximum voltage for an array with β _L = 0.44. Represents.

제안된 모델은 YBCO 스텝-에지 접합들을 포함하는 많은 HTS 접합들에서 실험적으로 관찰되는 전형적인 변형들을 반영하는 접합 파라미터들의 스프레드들을 포함하도록 확장될 수 있다[Lam, 2016]. 도 19a 및 도 19b는 β _L = 0.7을 갖는 N _p =4 접합 어레이에 대한

상에서 각각, I _c 및 R에서의

=0.3 또는

=0.3 스프레드의 영향을 비교한다. I _c 스프레드의 영향,

는 약 10%만큼 전압 변조를 감소시키고 약간의 비대칭성을 도입하는 것이었으며, 그러나

피크들의 기울기는 눈에 띄게 변하지 않았다. 마찬가지로, 유사한 변화들은

=0.3이 계산들에 포함될 때 관찰되었지만 감도는 균일한 접합 케이스와 유사하게 남아 있다는 것을 다시 주목한다.The proposed model can be extended to include spreads of junction parameters reflecting typical strains observed experimentally in many HTS junctions including YBCO step-edge junctions [Lam, 2016]. Figures 19A and 19B show for the N _p =4 junction array with β _L = 0.7.

Each phase, I _c And In R

=0.3 or

=0.3 Compare the effect of the spread. The impact of the I _c spread,

Was to reduce the voltage modulation by about 10% and introduce some asymmetry, but

The slope of the peaks did not change noticeably. Similarly, similar changes

Note again that although =0.3 was observed when included in the calculations, the sensitivity remained similar to the uniform junction case.

루프 영역 스프레드들인

=0.07 내지 0.3 및 전류 바이어싱 기하구조를 갖는 SQIF 어레이들 Loop area spreads

SQIF arrays with =0.07 to 0.3 and current biasing geometry

이전 개시는 루프 영역들에서 스프레드를 갖지 않는(

= 0) 1D 어레이들을 모델링하였다. 도 20a는 N _p = 16 및 β _L = 0.3를 갖는 어레이가 루프 영역들에서 작은 스프레드(

=0.07)를 갖는 (2601) 및 갖지 않는 (2602)로 모델링된 경우를 도시하지만, 접합 파라미터들 R 및 I _c 에 스프레드가 없다고 가정한다. 루프 영역들의 그러한 스프레드(약 ~7%)는 예를 들어, 포토리소그래피 패터닝 차이들로 인한 제작에서 변형들의 결과로서 실험적으로 발생할 수 있다. 모델은 어레이가 균일하게 바이어스 된다고 가정한다(즉, 1D 어레이의 각각의 SQUID 루프는 도 17b에 도시된 바와 같이 동일하게 바이어스됨).

= 0.07을 갖는 어레이 V-B 응답은 ±3

밖으로 전압 피크들의 점진적인 감소를 갖는 엔벨로프 함수를 개발하며 이를 넘어서 전압은 비-주기적으로 변한다(도 20a). 이러한 모델링된 어레이의 전체 응답은 도 21b에서 측정되고, 도 20b에서 재현되는 N _p = 16 동일 루프 영역 어레이에 대한 실험 데이터에서 보이는 일반적인 특징들과 유사한다.The previous initiation did not have a spread in the loop regions (

= 0) 1D arrays were modeled. Figure 20a shows that the array with N _p = 16 and β _L = 0.3 has a small spread in the loop regions (

=0.07) with (2601) and without (2602), but assumes that there is no spread in the junction parameters R and I _c . Such a spread (about -7%) of the loop regions can occur experimentally, for example as a result of variations in fabrication due to photolithographic patterning differences. The model assumes that the array is uniformly biased (i.e., each SQUID loop of the 1D array is equally biased as shown in Fig. 17B).

Array VB response with = 0.07 is ±3

Develop an envelope function with a gradual reduction of outward voltage peaks and beyond which the voltage changes non-periodically (Fig. 20A). The overall response of this modeled array is measured in FIG. 21B and is similar to the general features seen in experimental data for an N _p = 16 same loop region array reproduced in FIG.

도 21a는 N _p = 16 루프들을 갖지만, 평균 β _L = 0.3을 갖는

= 0.3의 루프 영역에서 더 큰 스프레드를 갖는 유사한 1D 어레이에 대해 인가된 플럭스에 대한 이론적으로 정규화된 전압 응답을 도시한다. 루프 영역들의 이러한 크기 스프레드는 전형적으로 SQIF 어레이들을 생성하기 위해 사용되는 것이다.

응답은 평균 루프 영역 당 인가된 플럭스에 기초하고 어레이를 균일하게 바이어스함으로써 계산되었다. 도 21b는 동일한 SQIF 어레이의 모델링을 도시하지만, 바이어스 전류는 이전에 설명된 바와 같이(도 17a), 어레이의 중앙에 인가된다.21A shows N _p = 16 loops, but with average β _L = 0.3

Shows the theoretically normalized voltage response for applied flux for a similar 1D array with a larger spread in the loop region of = 0.3. This size spread of the loop regions is typically what is used to create SQIF arrays.

The response was calculated by uniformly biasing the array based on the applied flux per average loop area. Figure 21b shows the modeling of the same SQIF array, but a bias current is applied to the center of the array, as previously described (Figure 17A).

도 21a 및 도 21b는 어레이가 중앙에서 바이어스될 때 제로-필드에 대한

응답의 대칭의 손실 및 매우 낮은 감도 어레이를 생성하는 중앙 안티-피크에서의 급격한 감소를 도시한다. 이러한 작용(behaviour)은 자기(self)-필드 영향들에 기여된다. 1D 어레이의 극단들에서 단일 SQUID 루프들을 최적으로 바이어스하기 위해, 다량의 전류가 어레이의 중앙에 주입된다. 이러한 예에서, 모든 접합들이 동일한 임계 전류, I _c 를 갖는 것으로 가정하면, 이때, 주입된 바이어스 전류는I _b

16xI _c 일 것이다. 이것은 다량의 바이어스 전류가 어레이의 주입 포인트에서 루프들에 주입되고 있고, 플럭스를 비-최적 방식으로 이들 루프들에 결합시키는 다량의 자기 필드(self-field)를 생성하고 있고, 개별적인 루프들의 감도를 저하시키고 있다는 것을 의미한다.21A and 21B show the zero-field when the array is center biased.

Shows the loss of symmetry of the response and a sharp decrease in the central anti-peak resulting in a very low sensitivity array. This behavior contributes to self-field influences. In order to optimally bias single SQUID loops at the extremes of the 1D array, a large amount of current is injected in the center of the array. In this example, assuming that all junctions have the same threshold current, I _c , then the injected bias current is I _b

Will be 16x I _c This is because a large amount of bias current is being injected into the loops at the injection point of the array, creating a large amount of self-field coupling the flux to these loops in a non-optimal manner, and reducing the sensitivity of the individual loops. It means that you are lowering it.

증가한 NIncreased N _{p p} 및And 다양한 variety ββ _LL 을 갖는Having 상이한 바이어싱 방식들의 감도 상의 영향Sensitivity effect of different biasing schemes

수 개의 1D 어레이 파라미터들의 영향을 결합한, 이론적 계산들은 증가한 어레이 폭 N _p , 및 최대 정규화된 감도,

상의 수 개의 상이한 평균 β _L 값들에 대한 상이한 바이어싱 방식들(균일 및 중앙 바이어싱)의 영향을 보기 위해 확장되었으며, 여기서,

는 다음과 같이 식 [2]에서 정의된다:Theoretical calculations, combining the influence of several 1D array parameters, show increased array width N _p , and maximum normalized sensitivity,

top Expanded to see the effect of different biasing schemes (uniform and central biasing) on several different mean β _L values, where

Is defined in equation [2] as follows:

[2]

[2]

도 23a 및 23b는 최대 정규화된 감도,

가 β _L = 0.1, 0.3 및 0.7의 3개의 값들에 대한, N _p = 3 내지 45에 대해 플로팅되는 1D 동일-루프 영역 어레이들에 대한 이들의 영향들을 요약한다. 어레이가 균일하게 바이어스될 때(도 23a), 어레이의 최대 감도는 N _p 가 β _L 에 의존하는 N _p 의 특정 값까지 증가함에 따라 증가한다. β _L = 0.1의 경우, 감도는 N _p

10 주위에서 약 7.8의 플래토(plateau)에 도달하고 더 높은 N _p 에서 크게 개선되지 않지만, β _L 이 증가함에 따라 전체 최대 감도는 (β _L =0.7에 대해) 약 2로 4배 강하하고 감도의 플래토는 N _p

4의 더 낮은 값들에서 시작한다. 그 대신, 동일한 어레이들이 중앙에서 바이어스되는 경우(도 23b), 어레이 감도는 모든 시나리오들에 대해 전체적으로 더 낮다(도 23a 및 도 23b에서 동일한 β _L 값들을 비교함). β _L = 0.1의 경우, 중앙에서 바이어스되는 어레이에 대한 이론적으로 예측되는 최대 감도는 단지 약 4.5이고 N _p = 6에서 발생한다. 어레이 폭의 추가 증가들은 어레이 감도에서의 감소(2301)를 보며, 도 23a의 플래토는 N _p 의 낮은 값들에서 도 23b의 최대 값으로 대신 무너진다. β _L 이 증가함에 따라, 이러한 최대는 β _L =0.7일 때, 어레이 감도가 N _p 가 N _p = 2로부터 증가함에 따라 단지 감소하도록 퀀칭된다. 도 23의 모든 계산들은 스프레드가 어레이 파라미터들에 없는 것으로, 즉

이라고 가정한다는 점을 주목한다.23A and 23B show the maximum normalized sensitivity,

Summarizes their effects on 1D co-loop region arrays plotted against N _p = 3 to 45, for three values of β _L = 0.1, 0.3 and 0.7. And when the array is uniformly biased (Fig. 23a), the maximum sensitivity of the array, increase with increasing _p up to a certain value of N, which is N _p depends on β _L. For β _L = 0.1, the sensitivity is N _p

It reaches a plateau of about 7.8 around 10 and does not improve significantly at higher N _p , but as β _L increases, the overall maximum sensitivity drops 4 times to about 2 (for β _L =0.7) and the sensitivity The plateau of N _p

Start at lower values of 4. Instead, if the same arrays are center biased (Fig. 23B), the array sensitivity is overall lower for all scenarios (comparing the same β _L values in Figs. 23A and 23B). For β _L = 0.1, the theoretically predicted maximum sensitivity for the centrally biased array is only about 4.5 and occurs at N _p = 6. Further increases in the array width see a decrease 2301 in the array sensitivity, and the plateau of Fig. 23A shows that at low values of N _p It collapses instead with the maximum value in Fig. 23B. As the β _L is increased, this maximum is to be quenched only reduced as when the β _L = 0.7, the array sensitivity is increased from N _p N _p = 2. All calculations in Fig. 23 indicate that the spread is not in the array parameters, i.e.

Note that we assume

1D SQIF 어레이들 상의 접Contact on 1D SQIF arrays 합 파라미터들(Sum parameters( II _cjcj , , RR _jj )의 스프레드의 영향) Of the spread

도 19와는 별도로, 모든 이론적인 계산들은 접합 파라미터들(I _cj , R _j )이 어레이에서 모든 접합들, j에 대해 동일하였다고 가정하였다. 그러나, 높은-T_c 접합들은 특히 짧은 코히어런스 길이들, 및 조셉슨 접합들을 형성하는 그레인 경계들의 성장에서의 고유 변형들의 조합으로 파라미터들에서 더 큰 스프레드를 가질 수 있다. I _cj 및 R _j 의 스프레드들은 10% 내지 60%의 넓은 범위를 커버할 수 있다. 여기서, 우리는 이론적인 계산들에서, 스텝-에지 접합들의 초기 측정들로부터 획득되는, 0.3의

,

의 값을 사용한다.Apart from Fig. 19, all theoretical calculations assumed that the junction parameters I _cj and R _j were the same for all junctions, j in the array. However, high-T _c junctions may have a greater spread in parameters, particularly with a combination of short coherence lengths, and intrinsic strains in the growth of the grain boundaries forming Josephson junctions. I _cj and The spreads of R _j can cover a wide range of 10% to 60%. Here, we obtain, in theoretical calculations, from initial measurements of step-edge junctions,

,

Use the value of

도 24a 및 도 24b의 정규화된

응답에 대한 곡선들은 β _L = 1.5를 갖고 도 21a에서 사용된 바와 같은 루프 영역 스프레드

=0.3을 갖는 1D 어레이들에 대해

=0.3의 I _c 에서의 스프레드(도 24a) 또는

=0.3의 R _n 에서의 스프레드(도 23b)를 갖는 접합들에 대한 4개의 상이한 세트들의 무작위 값들을 사용하여 N _p =16을 갖는 1D SQIF 어레이에 대해 생성되었다. 접합 파라미터 스프레드는 SQIF 감도에 가변적이고 전반적으로 유해한 영향을 미친다.Normalized in Figures 24A and 24B

The curves for the response have β _L = 1.5 and the loop area spread as used in Figure 21A

For 1D arrays with =0.3

Spread at I _c of =0.3 (Figure 24A) or

Generated for a 1D SQIF array with N _p =16 using four different sets of random values for junctions with a spread at R _n of =0.3 (Figure 23B). The splicing parameter spread is variable and has an overall detrimental effect on SQIF sensitivity.

결론들Conclusions

요약하면, 접합 파라미터들의 범위를 갖는, 병렬의 거의 동일한 루프 영역들을 갖는 다수의 1D 높은-T_c SQUID 어레이들에 대한 자기 필드 성능은 77 K에서 측정되었고 1D 어레이들이 폭에서 증가함에 따라 점점 더 불충분한 감도들(전압 변조)을 개발하는 것으로 나타났다. 어레이들의 접합 파라미터들(I _cj , R _j ), (인덕턴스 파라미터 β _L 을 통한) 루프 영역들 및 전류 바이어싱 기하구조에서의 보통의 변형들과 같은 높은-T_c 재료들에 대해 중요한 디바이스 파라미터들의 변형들을 포함하는 HTS 박막에 적용가능한 1D SQUID 및 SQIF 어레이들에 대한 이론적인 모델이 개발되었다. 제안된 모델은 SQIF들에 대한 이전의 작업(Oppenlander 등)으로부터의 결과들을 반복하고 낮은 β _L 이 안티-피크의 기울기를 증가시킴으로써 SQIF 어레이 감도를 개선하기 위해 요구된다는 것을 나타낸다. 제작 프로세스에서의 변형들로 인해, 즉 어레이에 걸쳐 불균일하게 어레이 패턴을 언더- 또는 오버-에칭하는 것으로 인해 생성되는 것들과 같은 루프 영역들의 작은 변형들(약 7%)은 이상적인 예상 V-B 응답으로부터의 편자들을 설명하고, 실험적으로 관찰되는 엔벨로프-형상 응답들을 생성할 수 있다.In summary, the magnetic field performance for multiple 1D high-T _c SQUID arrays with nearly identical loop regions in parallel, with a range of junction parameters, was measured at 77 K and becomes increasingly insufficient as the 1D arrays increase in width. It has been shown to develop sensitivities (voltage modulation). The junction parameters of the arrays ( I _cj , R _j ), (via the inductance parameter β _L ) A theoretical model for 1D SQUID and SQIF arrays applicable to HTS thin films containing variations of important device parameters for high-T _c materials, such as normal variations in loop regions and current biasing geometry. Was developed. The proposed model repeats the results from previous work on SQIFs (Oppenlander et al.) and indicates that a low β _L is required to improve the SQIF array sensitivity by increasing the slope of the anti-peak. Small variations (approximately 7%) of the loop regions, such as those created due to variations in the fabrication process, i.e. due to under- or over-etching the array pattern unevenly across the array, are from the ideal expected VB response. Describe the biases and generate envelope-shaped responses that are observed experimentally.

실험적이고 이론전인 모델링 결과들 둘 다는 β _L 이 작게 유지되면, 이때, HTS 디바이스들에서 공통인 접합 파라미터들에서의 전형적인 변형들(약 30%)이 SQUID 또는 SQIF 어레이 응답에 유해한 영향을 미치지 않을 것이라고 제안한다. 어레이 응답(감도)은 전류 바이어싱 구조에 의해, 특히 어레이의 폭이 증가함에 따라, 그리고 더 큰 β _L (> 0.7)을 갖는 디바이스들에 대해 영향을 받을 것이다. 균일한 전류 바이어싱은 이것이 여분의 플럭스를 어레이에 걸쳐 루프들에 결합시키는, 단일 포인트로부터 어레이들로 주입되는 더 큰 전류들로 인해 자기-필드 영향들을 감소시키는 것을 도울 수 있기 때문에 어레이 감도를 보존하는 것을 도울 수 있다.Both experimental and pre-theoretic modeling results show that if β _L is kept small, then typical variations (about 30%) in junction parameters common in HTS devices will not have a detrimental effect on the SQUID or SQIF array response. Suggest. The array response (sensitivity) will be affected by the current biasing structure, especially as the width of the array increases, and for devices with a larger β _L (>0.7). Uniform current biasing preserves array sensitivity because it can help reduce magnetic-field effects due to larger currents injected into the arrays from a single point, coupling the extra flux to the loops across the array. Can help.

도 26은 본원에 설명되는 장치를 사용하여 자기 플퍽스를 측정하는 방법(3200)을 예시한다. 방법은 루프들의 어레이를 자기 플럭스에 노출시키는 단계(3201)를 포함한다(3201). 각각의 루프는 본원에 설명되는 바와 같이 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성한다. 그 다음, 방법(3200)은 예컨대 디바이스를 통한 전류를 측정함으로써, 자기 플럭스에 대한 어레이의 전기적 응답을 측정하는 단계(3202)를 포함한다. 그 다음, 측정에 기초하여 자기 플럭스를 나타내는 값이 결정된다(3203). 어레이가 다수의 열들을 포함한다는 점이 주목된다. 또한, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 중요하게는, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 이것이 더 작은 자기 플럭스가 측정될 수 있고/있거나(감도), 자기 플럭스가 덜 왜곡되고/되거나(선형성) 자기 플럭스의 범위가 다른 어레이들과 비교하여 더 크다는 의미에서 자기 플럭스의 측정을 개선함에 따라 2개 초과 20개 미만이다.26 illustrates a method 3200 of measuring magnetic Flux using the apparatus described herein. The method includes (3201) exposing the array of loops to magnetic flux (3201). Each loop constitutes a superconducting quantum interference device as described herein. The method 3200 then includes measuring 3202 the electrical response of the array to the magnetic flux, such as by measuring the current through the device. Then, based on the measurement, a value representing the magnetic flux is determined (3203). It is noted that the array contains multiple columns. Further, each of the columns includes a plurality of rows connected in series and each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel. Importantly, the number of loops connected in parallel in each row is an array with a smaller magnetic flux can be measured (sensitivity), magnetic flux is less distorted (linearity) and/or magnetic flux ranges different. It is more than 2 and less than 20 as it improves the measurement of magnetic flux in the sense of being larger compared to those.

다수의 변형들 및/또는 수정들은 본 개시의 넓은 일반적인 범위로부터 벗어나는 것 없이 위에 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 본 실시예들은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 모든 측면들에서 간주되어야 한다.It will be appreciated by those skilled in the art that many variations and/or modifications may be made to the embodiments described above without departing from the broad general scope of the present disclosure. Accordingly, the present embodiments are to be regarded in all aspects as illustrative and not restrictive.

Claims (28)

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 장치에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들(columns)을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(rows)을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.In the superconducting quantum interference apparatus comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The superconducting quantum interference device, wherein the number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20. 제1항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 10 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 1,
The superconducting quantum interference device, wherein the number of the loops connected in parallel in each row is less than 10. 제2항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 8 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 2,
The superconducting quantum interference device, wherein the number of the loops connected in parallel in each row is less than 8. 제3항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 7 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 3,
The superconducting quantum interference device, wherein the number of loops connected in parallel in each row is less than 7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 다음: 즉,
감도;
선형성; 및
동적 범위
중 하나 이상으로부터 선택되는 성능(performance)을 개선시키는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 4,
The device is:
Sensitivity;
Linearity; And
Dynamic range
A superconducting quantum interference device for improving performance selected from one or more of. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프들 각각은 고온 초전도 재료인, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 5,
Each of the loops is a high-temperature superconducting material. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 루프는 2개의 스텝 에지 접합들(step edge junctions)을 포함하는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 6,
Each loop comprises two step edge junctions. 제7항에 있어서,
병렬로 연결되는 임의의 2개의 인접한 루프들은 공통으로 하나의 접합을 갖는, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 7,
A superconducting quantum interference device, wherein any two adjacent loops connected in parallel have one junction in common. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)인, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 8,
The device is a superconducting quantum interference filter (SQUIF), a superconducting quantum interference device. 제9항에 있어서,
상기 루프들은 상기 어레이에 걸쳐 변하는 루프 영역들을 갖는, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 9,
Wherein the loops have loop regions that vary across the array. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 초전도 양자 간섭 디바이스(superconducting quantum interference device; SQUID) 어레이인, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 8,
The device is a superconducting quantum interference device (SQUID) array, a superconducting quantum interference device. 제11항에 있어서,
상기 루프들은 각각의 행에서 병렬로 연결되고 동일한 루프 영역을 갖는, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 11,
The loops are connected in parallel in each row and have the same loop area. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열들은 다수의 세트들의 열들을 포함하고 상기 각각의 세트의 열들은 직렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 12,
Wherein the columns include a plurality of sets of columns and the columns of each set are connected in series. 제13항에 있어서,
상기 제1 세트의 직렬-연결된 열들은 제2 세트의 직렬 연결된 열들에 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 13,
The superconducting quantum interference device, wherein the first set of series-connected columns are connected in parallel to a second set of series-connected columns. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열들은 다수의 세트들의 열들을 포함하고 상기 각각의 세트의 열들은 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the columns include a plurality of sets of columns and the columns of each set are connected in parallel. 제13항에 있어서,
상기 제1 세트의 병렬-연결된 열들은 제2 세트의 병렬-연결된 열들에 직렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method of claim 13,
Wherein the first set of parallel-connected columns is connected in series to a second set of parallel-connected columns. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이의 임피던스는 1　㏀ 이하인, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 16,
The impedance of the array is 1 kΩ or less, superconducting quantum interference device. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 17,
Wherein the array comprises at least 1,000,000 loops. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하며, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고 각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수, 직렬로 연결되는 상기 열들의 수 및 병렬로 연결되는 상기 열들의 수는 상기 어레이의 임피던스가 1 kΩ 이하인 것과 같은, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 18,
The device includes at least 1,000,000 loops, wherein the number of loops connected in parallel in each row is greater than 2 and less than 20 and the number of loops connected in parallel in each row, the number of loops connected in series. The number of columns and the number of columns connected in parallel are such that the impedance of the array is less than or equal to 1 kΩ. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 병렬로 연결되는 상기 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 19,
The array includes the number of at least two columns connected in parallel,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The superconducting quantum interference device, wherein the number of loops connected in parallel in each row is more than twice and less than 10 times the number of columns connected in parallel. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 적어도 1,000,000개의 루프들의 어레이를 포함하고,
상기 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 100개의 열들의 수를 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 20,
The apparatus comprises an array of at least 1,000,000 loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes the number of at least 100 columns connected in parallel,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Wherein each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프들은 중앙 바이어스되거나 균일하게 바이어스되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 21,
Wherein the loops are center biased or uniformly biased. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이는 칩 상에 어레이를 형성함으로써 반도체 칩에 통합되는, 초전도 양자 간섭 장치.The method according to any one of claims 1 to 22,
The array is incorporated into a semiconductor chip by forming an array on the chip. 컴퓨터 코드가 저장되는 비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체에 있어서,
상기 컴퓨터 코드는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하며,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만인, 비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체.In a non-transitory, computer-readable medium storing computer code,
The computer code defines a quantum interference device comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The non-transitory, computer-readable medium, wherein the number of loops connected in parallel in each row is greater than 2 and less than 20. 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하는 포토 마스크 또는 마스크들의 세트에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만인, 포토 마스크 또는 마스크들의 세트.A photo mask or set of masks defining a quantum interference device comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
A photo mask or set of masks, wherein the number of loops connected in parallel in each row is greater than 2 and less than 20. 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 전자 칩에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만인, 전자 칩.In the electronic chip comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The electronic chip, wherein the number of the loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20. 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 장치에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 상기 장치의 감도를 개선시키기 위해 2개 초과 및 20개 미만이고 상기 어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하인, 초전도 양자 간섭 장치.In the superconducting quantum interference apparatus comprising an array of loops, each loop constituting a superconducting quantum interference device,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The number of loops connected in parallel in each row is greater than 2 and less than 20 to improve the sensitivity of the device, and the impedance of the array is 1 kΩ or less. 자기 플럭스를 측정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 상기 자기 플럭스에 노출시키는 단계;
상기 자기 플럭스에 대한 상기 어레이의 전기적 응답을 측정하는 단계; 및
상기 측정에 기초하여 상기 자기 플럭스를 나타내는 값을 결정하는 단계를 포함하며,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 상기 어레이의 감도를 향상시키기 위해 2개 초과 및 20개 미만인, 방법.In the method of measuring magnetic flux, the method comprises:
Exposing the array of loops to the magnetic flux, each loop constituting a superconducting quantum interference device;
Measuring the electrical response of the array to the magnetic flux; And
Determining a value indicative of the magnetic flux based on the measurement,
The array includes a plurality of columns,
Each of the columns includes a plurality of rows connected in series,
Each of the plurality of rows includes a plurality of loops connected in parallel,
The method, wherein the number of loops connected in parallel in each row is more than 2 and less than 20 to improve the sensitivity of the array.

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